Electricidad Básica

Revisado por:
Ladislao Saucedo
Aprobado por:
Jose Luis Bosques
Manual de Contenido
del Participante
Electricidad Básica
TX-TEP-0002
ESPAÑOL
Propósito y Objetivos de este Manual
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Este manual tiene como propósito presentar los conceptos básicos de
electricidad.
Los objetivos de este manual se orientan al cumplimiento de los siguientes puntos:
Reconocer los principios de
electricidad estática.
Definir el concepto de
magnetismo y su relación
con la electricidad.
Identificar los conceptos de
Diferencia de PotencialCorriente, Ley de Ohm.
Interpretar la Ley de Joule.
Reconocer las Leyes de
Kirchhoff.
Identificar los Principios de
Electricidad Trifásica.
Es importante comprender las consecuencias que el desconocimiento de los
conceptos y principios explicados en este manual puede ocasionar en el
ambiente, seguridad y salud ocupacional y en la calidad del producto final.
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Cómo Utilizar este Manual
Este manual le muestra cuáles son
aquellos conceptos y contenidos
básicos relacionados a la electricidad.
CAPÍTULO 1
5
Principios de Electricidad
CAPÍTULO 2
18
Electricidad y Magnetismo
En el manual Ud. puede encontrar explicación
de conceptos, reflexiones y actividades que le
ayuden a comprender los principales aspectos
asociados a la electricidad.
CAPÍTULO 3
Circuitos Eléctricos
31
CAPÍTULO 4
42
Control de Flujo de Corriente
CAPÍTULO 5
Análisis de Circuitos
59
CAPÍTULO 6
Corriente Alterna
64
CAPÍTULO 7
Condensadores
82
CAPÍTULO 8
Impedancia
87
CAPÍTULO 9
Circuitos Trifásicos
92
Cómo Utilizar este Manual
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El manual contiene pequeñas figuras que se repiten en todos los capítulos y que
son una forma de organización de la información para hacer más fácil y dinámica la
lectura. Estas figuras se denominan íconos.
A continuación hay una descripción de la utilización de cada ícono, es decir en qué oportunidad
aparecen:
GLOSARIO
RECUERDE
ANEXO
Explica términos y siglas.
Refuerza un concepto ya
mencionado en el texto del
manual.
Profundiza conceptos.
MANTENIMIENTO
PREGUNTAS
ATENCIÓN
Resalta procedimientos necesarios
de mantenimiento.
Presenta preguntas disparadoras.
Destaca conceptos importantes.
EJEMPLO
ACTIVIDAD
EXAMEN FINAL
Ilustra con situaciones reales los
temas tratados.
Señala el comienzo de un ejercicio
que le permitirá reforzar lo
aprendido.
Señala el comienzo de la evaluación
final.
FIN DE CAPÍTULO
FIN DE MANUAL
Señala la finalización del
capítulo.
Señala la finalización del
manual.
1
Electricidad Básica
Principios de
Electricidad
TEMAS DEL CAPÍTULO 1
1.1 ¿Qué es la electricidad?
1.2 Tipos de Energía
La electricidad es la
acción que
producen los
electrones al
trasladarse de un
punto a otro, o la
falta o exceso de
electrones en un
material.
6
10
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1. Principios de Electricidad
1.1 ¿Qué es la electricidad?
Es la forma de energía producto de la acción específica de electrones.
Electrones.
¿QUÉ ES LA HIDRÁULICA?
Todos los efectos de la electricidad pueden explicarse y predecirse presumiendo la existencia de una
diminuta partícula denominada electrón. Aplicando esta teoría electrónica, los hombres de ciencia
han hecho predicciones y descubrimientos que pocos años atrás parecían imposibles. La teoría
electrónica no sólo constituye la base para el diseño de equipos eléctricos y electrónicos de todo
tipo, sino que explica los fenómenos químicos y permite a los químicos predecir y formar nuevos
compuestos, como las maravillosas drogas sintéticas.
En vista de que la presunción de la existencia del electrón ha conducido a tantos importantes
descubrimientos en el campo de la electricidad, la electrónica, la química y la física atómica,
podemos suponer sin temor a equivocarnos que el electrón es una realidad. Todos los equipos
eléctricos y electrónicos han sido diseñados en base a la teoría de los electrones.
¿Qué es la electricidad?
La electricidad es la acción que producen los electrones
al trasladarse de un punto a otro, ya sea por su falta o
exceso de los mismos en un material.
Pero … ¿Cómo se
desplaza el electrón en
un material?
Para que los electrones puedan moverse es necesario
que alguna forma de energía se convierta en
electricidad. Se pueden emplear seis formas de energía,
cada una de la cuales podría considerarse como fuente
independiente de electricidad.
Para entender bien estos conceptos, debemos empezar
por el principio: conociendo al electrón, al átomo y a
la estructura atómica de la materia.
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1. Principios de Electricidad
Estructura de la materia.
La materia puede definirse como cualquier cuerpo que ocupa un lugar en el espacio y tiene
peso. Por ejemplo la madera, el aire, el agua, etc. Toda materia está compuesta de moléculas
formadas por combinaciones de átomos, los cuales son partículas muy pequeñas. Los
principales elementos que forman al átomo son el electrón, el protón, el neutrón y el núcleo.
Materia
Moléculas
Átomos
Electrones
Protones
Neutrones
Núcleo
Estructura de un átomo
En el núcleo de un átomo hay:
• protones, que tienen una
carga positiva (+);
• neutrones, que no poseen
carga.
Los electrones, en cambio, se
encuentran girando en órbitas
alrededor del núcleo y tienen
una carga negativa (-).
¿Cuál es el origen de la electricidad?
Los electrones giran alrededor
del núcleo debido al equilibrio
de dos fuerzas: la fuerza propia
del electrón que lo mantiene
siempre en movimiento y la
fuerza de atracción que ejerce
el núcleo sobre el electrón.
Los electrones que se
encuentran en la órbita más
lejana del núcleo pueden salirse
de sus órbitas, aplicándoles
alguna fuerza externa como un
campo magnético o una
reacción química. A este tipo de
electrones se les conoce como
electrones libres.
Flujo de electrones libres
El movimiento de electrones libres de un átomo a otro origina lo que se conoce como corriente de
electrones, o lo que también se denomina corriente eléctrica. Ésta es la base de la electricidad.
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1. Principios de Electricidad
Electricidad Estática y Dinámica.
Los electrones son negativos y se ven atraídos por cargas positivas. Siempre habrá atracción desde
una fuente en donde haya exceso de electrones hacia una fuente que tenga deficiencia de electrones,
la cual tiene una carga positiva. Para que un material pueda estar eléctricamente cargado, debe tener
más electrones que protones, o viceversa.
¿Porqué?
Las cargas opuestas se atraen
y las iguales se repelen.
Dirección
Del negativo (-) al positivo (+)
ELECTRICIDAD ESTÁTICA/CARGA
ELÉCTRICA
Cuando los electrones viajan por un
cuerpo y llegan al borde del mismo, se
genera electricidad. Esta electricidad se
manifestó sólo por acción de presencia,
por lo tanto es llamada electricidad
estática o carga eléctrica.
-
+
+
+
-
ELECTRICIDAD DINÁMICA/CORRIENTE
ELÉCTRICA
Cuando los electrones fluyen por un
cuerpo desde un extremo hacia el otro, se
genera la electricidad dinámica o
corriente eléctrica.
Con la electricidad estática podemos tener descargas, pero con la electricidad
dinámica obtenemos efectos diferentes, como por ejemplo: luz, calor, fuerza motriz, etc.
El movimiento disperso de los electrones libres de un
átomo a otro es normalmente igual en todas direcciones,
de manera que ninguna parte del material en particular
gana ni pierde electrones. Cuando la mayor parte del
movimiento de los electrones se produce en la misma
dirección, de manera que parte del material pierde
electrones mientras que la otra parte los gana, el
movimiento neto o flujo se denomina flujo de corriente.
RECUERDE
Siempre habrá atracción
desde una fuente en donde
haya exceso de electrones
hacia una fuente que tenga
deficiencia de electrones, la
cual tiene una carga positiva.
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1. Principios de Electricidad
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ACTIVIDAD 1.
Se han introducido los conceptos básicos de electricidad.
En base a la imagen, conteste las siguientes preguntas.
1
Indique en la figura el núcleo del átomo.
2
¿Cómo está conformado el núcleo del átomo?
3
¿Cuántos electrones hay en el átomo de la figura?
4
¿Cuántas órbitas se pueden distinguir en la figura?
5
¿Un átomo aislado puede ser generador de corriente eléctrica?
6
¿Qué debe circular para que se produzca corriente eléctrica?
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1. Principios de Electricidad
1.2 Tipos de Energía
Para producir electricidad se debe utilizar alguna forma de energía que ponga en movimiento a los
electrones. Se pueden emplear seis formas de energía:
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción Química
Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Fricción.
Se produce al frotar 2 materiales. Uno de los objetos gana electrones y el otro los pierde.
El sistema completo no gana ni pierde electrones.
Si los objetos que se friccionan son muy conductores, esas cargas se neutralizan rápidamente.
Si por el contrario son poco conductores, ambos objetos quedan con carga eléctrica.
1
2
Las cargas y los electrones están presentes en cantidades iguales en la varilla y
en la piel.
Los electrones pasan de la piel a la varilla
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Ley de Coulomb - expresa que dos cargas puntuales se atraen o se repelen con una fuerza
directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa.
F=K(q₁xq₂)/r²
Campo eléctrico - cualquier carga eléctrica ejerce en el espacio que la rodea, fuerzas de
atracción o repulsión sobre otras cargas, tal y como la hemos visto anteriormente, estas fuerzas
varían según la Ley de Coulomb.
Ley de Gauss - el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga neta situada
en el interior, dividida por la constante dieléctrica del medio.
Esta expresión es una de las expresiones fundamentales de la electrostática, proporcionando
métodos para el cálculo del campo creado por cuerpos cargados.
Presión (piezoelectricidad)
Se produce sometiendo a presión mecánica cristales llamados piezoeléctricos.
El uso más habitual es el de los encendedores electrónicos que, al recibir un golpe, generan una
corriente eléctrica de alto voltaje que crea la chispa para el encendido. Este fenómeno también se
presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un
campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales
a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Otros usos industriales incluyen sensores de vibración y transductores.
Los cristales de uso más corriente son el cuarzo y el rubidio.
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Calor (termoelectricidad)
Se produce al calentar una unión de 2 metales disímiles.
EJEMPLO
Las termocuplas se utilizan como medidas de
seguridad, por ejemplo estufas o calefones.
Cuando reciben calor provocan electricidad, y
cuando dejan de recibir, hacen cerrar el circuito
para evitar pérdidas de gas.
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Luz (fotoelectricidad)
Se produce por la incidencia de luz en sustancias fotosensibles (sensibles a la luz).
ATENCIÓN
La célula fotoeléctrica depende de una batería o de alguna otra fuente de electricidad en
su función de determinar variaciones de luz.
EJEMPLO
Célula fotoeléctrica. Al incidir la luz en el material.
1) Lente
2) Fuente luminosa
3) Movimiento de electrones
4) Célula fotoeléctrica
5) Instrumento
6) Batería de pilas
Aplicaciones: encendidos automáticos de iluminación exterior,
barrera de cierre de puerta de ascensores y portones.
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Acción química
Se produce por una reacción química.
En las pilas primarias pueden emplearse casi todos los metales, ácidos y sales.
Muchos tipos de pilas primarias se usan en laboratorios y con fines especiales, pero la que habrá
utilizado Ud. y que utilizará con mayor frecuencia es la pila seca. Utilizará pilas secas de distinto
tamaños, formas y pesos, desde la pila de la linterna tipo lápiz hasta la pila extra grande de las
linternas de emergencia. Cualquiera sea su tamaño, siempre encontrará que el material empleado y
el funcionamiento de toda pila son los mismos.
Si pudiese mirar en el interior de una pila seca, encontraría que consiste en un recipiente de cinc que
hace las veces de placa negativa, una varilla de carbón suspendida en el centro del recipiente como
placa positiva, y una solución de cloruro de amonio en pasta como electrolito. En el fondo del
recipiente de cinc vería un círculo de carbón alquitranado para impedir que la varilla de cinc toque
el recipiente. En la parte superior el recipiente contendrá capas de aserrín, arena y resina. Estas
capas sirven para mantener a la varilla de carbón en su lugar e impedir la filtración del electrolito.
Cuando la pila seca suministra electricidad, el recipiente de cinc y el electrolito se van gastando
gradualmente. Una vez desaparecidos el cinc útil y el electrolito, la pila ya no puede dar más carga y
debe cambiarse por otra. Las pilas de este tipo son herméticas y se pueden almacenar por cierto
tiempo sin que se deterioren. Cuando se conectan varias de estas pilas, se las llama batería seca.
Como no se puede utilizar pilas secas para suministrar grandes cantidades de corriente, usted las
encontrará solamente donde se les dá un uso infrecuente o de emergencia.
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
Magnetismo
El magnetismo se produce en un conductor cuando éste se mueve a través de un campo magnético
o un campo magnético se mueve a través del conductor, de tal manera que el conductor corte las
líneas de campo magnético.
El método más común para producir la electricidad que se utiliza como corriente eléctrica es el que
emplea el magnetismo. La fuente de electricidad tiene que ser capaz de mantener una carga grande
debido a que la misma se emplea para suministrar corriente eléctrica. Si bien el frotamiento, la
presión, el calor y la luz son fuentes de electricidad, su uso se limita a aplicaciones menores.
Toda la corriente eléctrica que se utiliza, excepto para equipos de emergencia y portátiles, tiene su
origen en una dínamo o alternador instalado en una planta eléctrica. No importa como sea
accionada, sea por fuerza hidráulica, una turbina de vapor o un motor de combustión interna; la
corriente eléctrica que produce es el resultado de la acción de los alambres conductores y los imanes
que están dentro de ella.
Cuando los alambres se desplazan junto a un imán o el imán se desplaza junto a los alambres, se
produce electricidad en éstos debido al magnetismo existente en el material magnético.
Fricción
Presión
Calor
Luz
Acción química Magnetismo
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1. Principios de Electricidad
ACTIVIDAD 2.
A partir de todo lo visto por favor resuelva la siguiente actividad.
Una con flechas determinando el tipo de electricidad de acuerdo a su origen.
Presionar un material
cristal de cuarzo
Acción química
Una persona camina sobre
una alfombra de nylon
Termoelectricidad
Combinar dos
componentes
Piezoelectricidad
Acercar un imán a una
bobina
Magnetismo
Electricidad generada por
un panel solar
Fricción
Calentar una termocupla
Fotoelectricidad
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 1.
A continuación se desarrollará el capítulo Electricidad y Magnetismo.
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2
Electricidad Básica
Electricidad y
Magnetismo
TEMAS DEL CAPÍTULO 2
El magnetismo es el
método más común
para producir la
electricidad
que se utiliza como
corriente eléctrica.
2.1 ¿Qué es el magnetismo?
19
2.2 Generación de Electricidad
20
2.3 Campos Electromagnéticos
22
2.4 Ley de Oersted-Ampere
23
2.5 Ley de Inducción de Faraday
28
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2. Electricidad y Magnetismo
2.1
¿Qué es el magnetismo?
Se explica el fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o
repulsión a otros materiales.
Magnetismo
En tiempos antiguos los griegos descubrieron cierta clase de piedra, cerca de la ciudad de Magnesia
en Asia Menor, que tenía la propiedad de atraer y recoger trozos de hierro. La piedra que
descubrieron era en realidad un tipo de material llamado “magnetita”, cuya propiedad de atracción
se denominó “magnetismo”. Las rocas que contienen este poder de atracción se denominan imanes
naturales.
Los imanes naturales tuvieron
poco uso hasta que se descubrió
que, si se los dejaba girar
libremente, se orientaban
siempre hacia el Norte. Los
chinos los sujetaban de un
cordel y los llamaron “piedras
guías” y los marinos los hacían
flotar en un cubo con agua.
Al acercar un imán natural a un
trozo de hierro, se descubrió que
éste adquiría magnetismo luego
de estar en contacto. Los imanes
artificiales también pueden
hacerse mediante electricidad.
Líneas del campo magnético
ATENCIÓN
Los mejores imanes son los de aleaciones de acero que contienen cobalto y níquel por lo
que se los considera imanes fuertes.
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2. Electricidad y Magnetismo
2.2
1
1
Generación de Electricidad
Los principios de generación de electricidad, son los mismos que se aplican
en gran escala para alimentar a las ciudades y grandes industrias.
Moviendo un imán junto a un
conductor
2
Moviendo un conductor hacia
adelante y hacia atrás junto a un
imán
Moviendo un imán junto a un conductor
Uno de los métodos por los cuales el magnetismo produce electricidad, es mediante el
movimiento de un imán frente a un conductor estacionario. Si se conecta un instrumento de
medición muy sensible en los extremos de un conductor fijo y se hace pasar entonces un
imán cerca del conductor, la aguja del instrumento se desviará. Esta desviación indica que
se ha producido electricidad en el conductor. Repitiendo el movimiento y observando
atentamente el instrumento, verá que la aguja sólo se desplaza cuando el imán pasa cerca
del conductor.
Colocando el imán cerca del conductor y dejándolo en reposo, no observará ninguna
desviación en el instrumento. Sin embargo, si se cambia de posición del imán, la aguja
indicadora se desvía. Esto muestra que el imán y el conductor no son capaces de producir
electricidad por sí solos. Para que la aguja se desvíe es necesario que el imán se mueva
junto al conductor.
El movimiento es necesario porque el campo magnético que rodea al imán solo produce
corriente eléctrica en el conductor cuando el campo magnético se desplaza transversalmente
al conductor. Cuando el imán y su campo están estacionarios, el campo no se desplaza a
través del conductor y no producirá movimiento de electrones.
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2. Electricidad y Magnetismo
2
Moviendo un conductor hacia adelante y hacia atrás junto a un imán
Hemos visto que al mover un imán cerca de un
conductor, la electricidad sólo se producía
mientras el imán y su campo se movían junto al
conductor. Si se mueve el conductor junto a un
imán en reposo, también se observará una
desviación en la aguja del instrumento.
Esta desviación sólo se producirá mientras el
conductor se esté moviendo a través del campo
magnético.
Para emplear el magnetismo con el fin de
producir electricidad, usted puede mover un
campo magnético a través de un conductor o
mover éste a través de un campo magnético.
Sin embargo, para obtener una fuente continua de electricidad tendrá que mantener un
movimiento permanente en el conductor o en el campo magnético.
Para que el movimiento sea permanente habrá que desplazar continuamente hacia delante y
hacia atrás al conductor o al campo magnético. Una manera más práctica es hacer que el
conductor viaje en forma circular a través del campo magnético.
Este método de producir electricidad, donde el conductor viaja circularmente junto a los
imanes constituye el principio de la dínamo eléctrica y es la fuente de la mayor parte de la
electricidad que se usa como corriente eléctrica.
ACTIVIDAD 3.
Usted debe generar electricidad. Tiene un imán, un conductor y un
amperímetro. ¿En qué situaciones el amperímetro marcará el paso de corriente?
1
Hay un imán en reposo y el conductor lo
rodea en toda su extensión.
Sí
No
2
3
El conductor está dispuesto de manera que
forma un aro suspendido. El imán se mueve
hacia adelante y atrás atravesando el aro.
El imán y el conductor se mueven juntos
en la misma dirección con la misma
velocidad.
Sí
No
Sí
No
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2. Electricidad y Magnetismo
2.3 Campos Electromagnéticos
Así como el magnetismo
produce electricidad, con
electricidad se puede producir
un campo magnético.
El campo electromagnético es un campo magnético producido por el paso de corriente
en un conductor. Siempre que hay flujo de corriente, existe un campo magnético en
torno al conductor, y la dirección de este campo depende del sentido de la corriente
eléctrica. El sentido del campo magnético es contrario al de las agujas del reloj.
Si se desea aumentar la potencia del campo
magnético de la espira, puede arrollar el
alambre varias veces, formando una bobina.
Entonces los campos individuales de cada vuelta
estarán en serie, formando un fuerte campo
magnético dentro y fuera de la bobina. En los
espacios comprendidos entre las espiras, las
líneas de fuerza están en oposición y se anulan
las unas a las otras. La bobina actúa como una
barra imantada poderosa, cuyo polo norte es el
extremo desde el cual salen las líneas de fuerza.
MAYOR BOBINA
MAYOR FLUJO
MAYOR CORRIENTE
Agregando más vueltas a una bobina transportadora de corriente se aumenta el número de líneas
de fuerza, haciendo que actúe como imán más fuerte. El aumento de la corriente también refuerza
el campo magnético, de manera que los electroimanes potentes tienen bobinas de muchas vueltas y
transportan toda la corriente que permite el alambre.
Para comparar bobinas que tengan el mismo núcleo o núcleos similares se utiliza una unidad que se
denomina amper-vuelta. Esta unidad es el producto de la intensidad de corriente en amperes por el
número de vueltas de alambre.
MENOR RELUCTANCIA
MAYOR FLUJO
Para aumentar todavía más la densidad de flujo,
se inserta en la bobina un núcleo de hierro. La
densidad de flujo aumenta considerablemente
porque el núcleo de hierro ofrece mucha menos
reluctancia (oposición) a las líneas de fuerza que
el aire.
MAYOR CORRIENTE
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2. Electricidad y Magnetismo
2.4
Ley de Oersted-Ampere
Establece la relación entre la corriente eléctrica y la generación de un campo
magnético.
La ley de Oersted-Ampere establece que un conductor que lleva una corriente eléctrica produce un
campo magnético alrededor de él, como se muestra en la figura. De esta forma se relaciona una
cualidad eléctrica (corriente) con una magnética (campo magnético).
Conductor que lleva una corriente eléctrica y genera un campo magnético.
La intensidad o fuerza del
campo magnético (Ф) varía en
forma directamente
proporcional con la magnitud
de la corriente. Esto es, a
mayor corriente eléctrica (I),
mayor intensidad del campo
magnético (Ф).
Relación corriente-intensidad de flujo magnético
Además, la intensidad del campo magnético varía inversamente con la distancia (D), como indica la
figura debajo. Esto significa que a mayor distancia del conductor al campo magnético, la intensidad
del campo es menor.
Relación distancia-intensidad de flujo magnético
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2. Electricidad y Magnetismo
Polaridad
El sentido del campo magnético depende del sentido de la corriente (I). Si se invierte el sentido de la
corriente se invierte la polaridad del campo, como muestra la figura.
Relación sentido corriente-sentido flujo magnético
Sentido del Campo Magnético
La “Regla de la Mano Derecha” permite determinar el sentido del campo magnético. Ésta establece
que al colocar el dedo pulgar en la dirección de la corriente eléctrica, el sentido en que se enrollan los
demás dedos indicará el sentido del campo magnético.
Regla de la Mano Derecha
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2. Electricidad y Magnetismo
Campo Magnético en una Espira y en una Bobina
Los conductores forman bobinas al agruparlos en forma de espiras. Así, un caso de particular interés
es el campo magnético que se produce al circular corriente a través de una espira.
Primeramente, partamos de una espira como la que se muestra en la figura de la izquierda. Si se le
aplica una corriente que circule del extremo inferior al superior, se producirá un campo magnético
cuyo sentido estará definido por la regla de la mano derecha. Así, en la espira se producirá un
campo magnético con un polo norte (N) y uno sur (S).
Campo magnético producido por una espira
Una bobina está formada por el
agrupamiento de varias espiras.
Así, el campo magnético de una
bobina será igual a la suma de
los campos magnéticos que
produce cada una de las espiras.
Al estar todas las espiras
conectadas en serie, a través de
cada una de ellas estará fluyendo
la misma corriente, por lo tanto,
la intensidad del campo que
produce la bobina será la suma
del campo magnético producido
por cada espira.
Campo magnético producido por una bobina
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2. Electricidad y Magnetismo
Reluctancia Magnética
La oposición al flujo magnético que presenta un material, se denomina reluctancia. Mientras menor
sea la reluctancia que presente el material, mayor será el flujo magnético que se genere.
En la figura siguiente se muestra la comparación del campo magnético producido por una bobina
con núcleo de aire y el campo magnético producido por una bobina de núcleo de hierro (considere
que ambas tienen el mismo número de espiras y circula la misma cantidad de corriente).
En el caso del núcleo de hierro se tiene una mayor intensidad de campo magnético debido a que el
hierro presenta una menor oposición a las líneas de flujo magnético que el aire.
Efecto del núcleo en el campo magnético producido
Si la bobina es
alimentada con una
corriente de magnitud
variable (corriente
alterna), la bobina
generará un campo
magnético variable
tanto en magnitud
como en polaridad.
Se puede observar
como cambian los
sentidos en el campo y
corriente
Campo magnético producido por una corriente alterna
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2. Electricidad y Magnetismo
ACTIVIDAD 4.
Por favor conteste las siguientes preguntas:
1
¿Qué establece la ley de Oersted-Ampere?
2
La “Regla de la Mano Derecha” permite determinar el sentido de la corriente
eléctrica. ¿Está de acuerdo con este enunciado? ¿Porqué?
3
¿A qué llamamos reluctancia magnética?
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2. Electricidad y Magnetismo
2.5
Ley de Inducción de Faraday
Principios físicos muy utilizados que permiten entender los fenómenos relacionados
con la electricidad y la operación de las máquinas eléctricas.
La ley de la inducción electromagnética de Faraday dice que si se tiene un conductor en un campo
magnético variable, éste produce un voltaje.
El voltaje provocado, no dependerá de la magnitud del campo magnético, sino de la razón con que
cambia. Así, una rápida variación de flujo magnético producirá un voltaje inducido alto.
Voltaje Provocado por un Campo Magnético Variable
Voltímetro
Voltímetro
Voltímetro
Instante 2
Instante 1
Instante 3
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2. Electricidad y Magnetismo
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También se inducirá un voltaje si
en lugar de un conductor se tiene
una espira en el campo magnético
variable.
Ante variaciones del campo
magnético, se inducirá un voltaje.
Si se tienen varias espiras
conectadas en serie (una bobina)
dentro de un campo magnético
variable, el voltaje inducido en la
bobina será la suma de los
voltajes inducidos en cada
espira. Así, a mayor número de
espiras, el voltaje inducido será
mayor.
A mayor cantidad de espiras,
mayor voltaje
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2. Electricidad y Magnetismo
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ACTIVIDAD 5.
Se han repasado los conceptos básicos de electricidad y magnetismo.
Por favor indique si las siguientes afirmaciones son verdades o falsas.
1
Existen imanes naturales con cargas positivas y otros con
cargas negativas.
Verdadero
Falso
2
3
4
5
Usted tiene un imán en reposo y un conductor de
electricidad. Si mueve el conductor cerca del imán, se
genera electricidad.
Verdadero
Falso
Si bien a partir de un campo magnético se puede
generar electricidad, no es posible crear un campo
magnético a partir de la electricidad.
Verdadero
Si se desea aumentar la intensidad de un campo
magnético, se recomienda trabajar con un núcleo de
aire.
Verdadero
Si la corriente eléctrica es mayor, mayor será la
intensidad del campo magnético.
Falso
Falso
Verdadero
Falso
6
7
En una espira ubicada verticalmente, si el sentido del campo
magnético es contrario a las agujas del reloj, entonces la
dirección de la corriente es de abajo hacia arriba.
Verdadero
Si hay un conductor en un campo magnético variable, se
produce un voltaje cuyo valor no dependerá de la
magnitud del campo magnético.
Verdadero
Falso
Falso
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 2.
A continuación se desarrollará el capítulo Circuitos Eléctricos.
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3
Electricidad Básica
Circuitos Eléctricos
TEMAS DEL CAPÍTULO 3
Los instrumentos de
medición del voltaje
y la corriente son
Herramientas
básicas para quién
trabaja con aparatos
eléctricos y
electrónicos.
3.1 Voltaje (Diferencia de Potencial)
32
3.2 Corriente (Densidad de Corriente)
37
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3. Circuitos Eléctricos
3.1 Voltaje (Diferencia de Potencial)
Para que exista una corriente eléctrica se requiere de algo que fuerce a que los electrones circulen
ordenadamente; una fuerza de origen eléctrica, denominada fuerza electromotriz (f.e.m), cuya
unidad es el volt (V). Esta fuerza es la que proporcionan los generadores de electricidad como las
pilas, baterías, alternadores, etc. En los generadores de electricidad, como consecuencia de algún
tipo de proceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m la cual se puede definir de la
siguiente manera:
Fuerza electromotriz
Es la fuerza que obliga a los electrones a moverse (dentro del
generador), y que tiene por efecto producir una tensión eléctrica.
La tensión eléctrica, que se expresa en volts, es la fuerza que hace que los electrones se muevan
ordenadamente en una cierta dirección a través de las líneas conductoras (circuito), o sea, lo que
hace que aparezca una corriente eléctrica. Este principio se ilustra en la figura
Corriente eléctrica
Generador de
electricidad
-Pila
-Batería
-Alternador
-Etc.
f.e.m
Tensión eléctrica (V)
Dispositivo
Receptor
(carga)
-Bombilla
-Motor
-Estufa
-Etc.
Línea conductora
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3. Circuitos Eléctricos
Un generador de electricidad suministra una tensión eléctrica (volts) que hace que circule una
corriente eléctrica a través del receptor (carga) para desarrollar un cierto trabajo (luz, calor, fuerza
mecánica, etc.). Las líneas conductoras son el medio de transporte de la energía eléctrica, del
generador a la carga.
Mientras más carga tenga el material,
mayor será su potencial para producir
un flujo de electrones.
+
+
TENSIÓN
FLUJO DE
ELECTRONES
Visto de una forma más técnica, aparecen otros términos relacionados que se denominan potencial
eléctrico y diferencia de potencial.
Potencial eléctrico
Se define por potencial eléctrico en un punto al trabajo necesario
para trasladar la unidad de carga eléctrica positiva desde el
infinito hasta dicho punto. Es un trabajo por unidad de carga, que
se mide en volts (V).
La unidad volt resulta ser pues el trabajo de un Joule (J) sobre la
carga de un Coulomb (C);
EJEMPLO
Se tiene el potencial de un volt si se realiza el trabajo de un
Joule para trasladar la carga de un Coulomb: 1 V = 1 J / 1 C.
Diferencia de potencial
Se define por diferencia de potencial entre dos puntos al trabajo
necesario para que la unidad de carga se traslade de un punto a
otro. La diferencia de potencial también se mide en volts.
EJEMPLO
Se tiene un volt si realiza el trabajo de un Joule para que la
carga de un Coulomb se mueva de un punto a otro.
En resumen, los términos de fuerza
electromotriz, tensión, potencial y diferencia
de potencial se expresan mediante la unidad
volt, y a menudo son denominados como
voltaje cuyo símbolo es la letra V o E,
aunque también se representa como una U.
Por ejemplo, respecto a una pila de 9 V se
puede decir que la pila proporciona una
tensión de 9 V, que entre sus terminales
[positivo (+) y negativo (-)] aparece la
diferencia de potencial de 9 V, o
simplemente que genera un voltaje de 9 V.
PREFIJO
SÍMBOLO
DECIMAL
1 kilovolt
1 kV
1000 V
1 milivolt
1 mV
1 microvolt
1 μV
(1/1000)=
0.001 V
(1/1,000,000)=
0.000001 V
Prefijos más usados cuando
se trata con múltiplos y
submúltiplos del voltaje
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3. Circuitos Eléctricos
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Voltaje es diferencia
de potencial
Utilice el voltaje
adecuado
EJEMPLO
Clavo grande requiere martillo grande. Mayor flujo de corriente exige mas voltaje.
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3. Circuitos Eléctricos
Medición del Voltaje
El instrumento para medir la diferencia de potencial
entre dos puntos de un circuito eléctrico se denomina
Voltímetro.
Principio de funcionamiento
Como hemos visto, el flujo de corriente siempre se produce cuando la mayor parte del
movimiento de electrones se realiza en una dirección. Además, este movimiento se hace
desde una carga (-) a una carga positiva (+), y sólo se produce cuando existe diferencia de
carga. Para crear la carga es necesario mover a los electrones, ya sea para causar un exceso
o una falta de los mismos en el lugar donde debe existir la carga.
Las cargas se pueden obtener con cualquiera de las fuentes de electricidad que se han visto
anteriormente. Esas fuentes suministran la energía necesaria para realizar el trabajo que
significa mover los electrones para formar una carga. No importa la clase de energía
empleada para crear la carga, dicha energía se convierte en energía eléctrica una vez
producida la carga. La cantidad de energía eléctrica que posee la carga es idéntica a la
cantidad de energía que la fuente tuvo que desarrollar para crear dicha carga.
Cuando la corriente circula, la energía eléctrica de las cargas se utiliza para mover
electrones desde cargas menos positivas a cargas más positivas. Esta energía eléctrica se
denomina fuerza electromotriz (f.e.m) y es la fuerza motriz que da lugar al flujo de corriente.
Toda carga eléctrica, sea positiva o negativa, representa una reserva de energía. Esta reserva
de energía es energía potencial mientras no se la utilice. La energía potencial de una carga
es igual a la cantidad de trabajo que se ha realizado para crear la carga; la unidad que se
emplea para medir este trabajo es el volt. La fuerza electromotriz de una carga es igual al
potencial de la carga y se expresa en volts.
Cuando existen dos cargas diferentes, la fuerza electromotriz entre las cargas es igual a la
diferencia de potencial entre ambas cargas y se expresa en volts. La diferencia de potencial
entre dos cargas es la fuerza electromotriz que actúa entre ambas, a lo cual comúnmente se
denomina voltaje.
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3. Circuitos Eléctricos
¿Cómo se mide el voltaje?
Las magnitudes básicas a medir en un circuito son la intensidad de corriente y el voltaje.
La medida de la intensidad de corriente eléctrica se efectúa con aparatos denominados
amperímetros.
La medida de diferencias de potencial o voltajes se efectúa con voltímetros.
Si quiere medirse el voltaje en los extremos de una resistencia, se ha de intercalar un
voltímetro como se muestra en la figura
ATENCIÓN
Para que un amperímetro no altere el circuito en que se intercala ha de tener una
resistencia interna muy baja, idealmente cero. Al contrario, para que un voltímetro no
perturbe la medida debe tener una resistencia interna muy elevada, idealmente infinita.
En ocasiones, cuando se dispone sólo de un voltímetro como aparato de medida, para medir
corrientes puede intercalarse una pequeña resistencia (r) en la rama correspondiente y medir
el voltaje (V) que cae en ella. La corriente resultante es: I= V/r.
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3. Circuitos Eléctricos
3.2 Corriente (Densidad de Corriente)
La corriente se puede definir como un flujo ordenado de electrones, es decir, los electrones en
movimiento constituyen una corriente eléctrica, los cuales, al aplicarles un voltaje como por ejemplo
de una batería, es posible forzar a los electrones fuera de su trayectoria circular y ocasionar que
pasen de un átomo a otro.
La corriente que pasa por un alambre tiene una dirección y una magnitud. El símbolo de la corriente
eléctrica es la letra I y la unidad de corriente es el amper (A). El amper corresponde a una carga que
se mueve con una rapidez de 1 C/s ( un Coulomb por segundo ) esto quiere decir que un amper se
define como el flujo de 6.28x1018 electrones que pasan por un punto fijo de un conductor en un
segundo, esta cantidad de 6.28x1018 electrones es el equivalente a un Coulomb.
Hay 2 maneras de representar la dirección de la
corriente eléctrica:
Sentido real – físicamente, el sentido de la
corriente eléctrica va de negativo (-) a positivo
(+); o sea, el flujo de electrones parte del polo
negativo del generador y se dirige, a través de
las líneas de conducción, hacia el polo positivo
del generador.
Sentido convencional - va al revés del sentido
real; o sea, de positivo (+) a negativo (-). Esto es
así porque en los principios del descubrimiento
de la electricidad, se creía que éste era el
sentido real de la corriente. Posteriores
descubrimientos demostraron que los electrones
(cargas negativas) son realmente los que se
mueven y su tendencia es ir hacia cargas de
distinto signo (positivas).
PARA PENSAR…
De acuerdo a lo visto, ¿en cuál de los
circuitos la flecha roja indica el sentido
real de la corriente y en cuál el sentido
convencional?
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3. Circuitos Eléctricos
ATENCIÓN
En la práctica, por lo general, el sentido de la corriente que se considera es el convencional
(de + a -) aunque, en realidad, no tiene mayor importancia la dirección que se elija, siempre
y cuando se tenga presente para solucionar cualquier problema particular.
Intensidad de la corriente
No sólo es importante saber si circula corriente y
en qué sentido lo hace, sino también qué tan
intenso es el movimiento de los electrones.
Imaginemos un conductor cortado según una
sección y contemos los electrones que salen por
segundo de esa sección. Llamaremos intensidad
de la corriente a la cantidad de electrones por
segundo que pasan por una sección del
conductor y se mide en amperes.
Sentido del flujo
de electrones
PREFIJO
SÍMBOLO
DECIMAL
1 kiloamper
1 kA
1000 A
1 miliamper
1 mA
(1/1000)= 0.001 A
1 microamper
1 μA
(1/1,000,000)= 0.000001 A
Prefijos más usados cuando se trata con múltiplos y
submúltiplos de la intensidad de corriente
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3. Circuitos Eléctricos
Densidad de la Corriente
La densidad de corriente se define como la corriente máxima admisible por cada unidad de sección
de un conductor. Para entender mejor esta definición, imaginemos la sección de un conductor
eléctrico atravesada por la circulación de la corriente eléctrica en donde se presentan diferentes
casos:
Los electrones se desplazan en libertad por el
conductor. La sección es excesiva para la corriente, ésta
es "poco densa" con respecto a la sección del conductor.
Los electrones ocupan toda el área de la sección del
conductor. Esto quiere decir que la sección alcanza
exactamente para la circulación de electrones. A este
valor de corriente, que puede circular indefinidamente,
se denomina intensidad máxima admisible para la
sección considerada.
Los electrones necesitan una sección mayor que la del
conductor, para que todos puedan circular
indefinidamente. Esto quiere decir que la sección del
conductor es insuficiente para la corriente, lo cual
implica que el conductor no soporta ese valor de
corriente indefinidamente por lo que en poco tiempo se
funde.
¿Cómo se mide la corriente eléctrica?
El caudal o intensidad de corriente está dado por el
número de electrones que pasa por un material en un
período de tiempo dado.
Siendo el Coulomb la medida que indica la cantidad de
electrones, contando la cantidad de Coulombs que
pasan en un período de tiempo dado se mide el caudal o
intensidad de la corriente. La unidad de intensidad de
corriente es el ampere. La intensidad o caudal es de un
ampere cuando un Coulomb de electrones pasa por el
material en un segundo, de dos amperes cuando pasan
dos Coulombs por segundo, etc.
El amperímetro es el instrumento que se encarga de
medir la cantidad de Coulombs que pasan por segundo
(amperes).
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3. Circuitos Eléctricos
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Principio de Funcionamiento del Amperímetro
Para comprobarlo, puede suspender una barra imantada de un eje rígido entre los polos de imán en
herradura. Si permite que la barra imantada gire sobre sí misma libremente, encontrará que lo hace
hasta acercar su polo norte todo lo posible al polo sur del imán en herradura. Si hace girar la barra a
una posición distinta, observará que trata de volver a la posición en que los polos opuestos están lo
más cerca posible. Cuanto más trate de desviar a la barra imantada de esta posición, mayor será la
fuerza que notará. La fuerza máxima aparece cuando los polos iguales estén lo más cerca posible.
Ahora, se coloca un resorte espiral de
manera tal que no haya tensión en el resorte
cuando los polos norte de los imanes están
lo más cerca posible. Con los imanes en esa
posición, la barra imantada normalmente
giraría con libertad hasta una posición que
aproximase todo lo posible su polo norte al
polo sur de imán en herradura. Con el
resorte sólo girará en parte hasta una
posición en que la fuerza de giro magnética
sea contrarrestada por la fuerza del
resorte. Si reemplaza la barra imantada por
otra más fuerte, la fuerza de repulsión entre
polos sería mayor y la barra imantada
avanzaría más en el sentido contrario a la
fuerza del resorte. Si se retira la barra
imantada y la reemplaza por una bobina de
alambre, tendrá un galvanómetro. Siempre
que pase corriente por ella, la bobina hará
las veces de imán.
Agregándole una aguja y una escala, se tiene un instrumento de medida de corriente continua de
bobina móvil conocido como tipo D’Arsonval.
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3. Circuitos Eléctricos
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ACTIVIDAD 6.
Se ha presentado los principios de funcionamiento de los aparatos
de medición de corriente y voltaje.
Dado el siguiente circuito indique donde se debe colocar el
amperímetro y el voltímetro para hacer las mediciones indicadas.
1
Medir el voltaje en la resistencia R1 y en la R2.
2
Medir corriente que circula por la resistencia R1.
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 3.
A continuación se desarrollará el capítulo Control de Flujo de
Corriente.
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4
Electricidad Básica
Control del Flujo de
Corriente
TEMAS DEL CAPÍTULO 4
El comportamiento
del flujo de
corriente está
regido por la Ley de
Ohm y sus
derivaciones, que
son la base del
estudio de la
electricidad.
4.1 Resistencias
43
4.2 Ley de Ohm
49
4.3 Ley de Circuitos en Serie y en Paralelo
51
4.4 Inductancia
53
4.5 Capacitancia
55
4.6 Potencia eléctrica – Ley de Joule
57
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4. Control de Flujo de Corriente
4.1 Resistencias
Resistencias
Todo material ofrece cierta oposición al flujo de corriente, oposición que puede ser grande o
pequeña.
Esta oposición se le denomina resistencia.
EJEMPLO
Hagamos una analogía para entender mejor a las resistencias.
Supongamos que hay un tubo con varias pelotas de golf sujetadas fuertemente en sus sitios
mediante alambres y cada una de ellas representa a un átomo con sus electrones.
El espacio entre las pelotas de golf se rellena con pequeñas municiones metálicas. Cada una
de esas municiones representa un electrón. Cuando se quitan municiones de un extremo y se
introducen por el otro, y comienza a producirse un flujo o circulación de las mismas dentro del
tubo.
Imaginemos que cada pelota de golf estuviese
recubierta por engrudo. Este engrudo no se
desprendería de la pelota de golf, sino que
solamente retendrá las municiones a ella. La
fuerza del engrudo depende del tipo de
material. Asimismo en el caso de metales, si el
material es cobre (conductor), el “engrudo”
será muy liviano y los electrones libres no
podrán ser retenidos con fuerza.
Sin embargo, si el material es vidrio (aislante),
el “engrudo” será sumamente poderoso:
retendrá a los electrones libres y no los dejará
salir. Se necesita un empuje (voltaje), esto
provocaría la salida de miles de millones de
municiones por segundo.
La resistencia de un material sería
comparable a la fuerza del engrudo que
acabamos de describir.
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4. Control de Flujo de Corriente
La resistencia depende
Longitud
Área de sección
transversal
Temperatura
Material del que
está hecho
Longitud
LONGITUD
Si comparamos dos conductores de igual
material y sección pero de diferente longitud
cada uno, el de mayor longitud tiene mayor
oposición al movimiento de los electrones
debido a que éstos tienen un mayor camino
que recorrer.
Por lo que concluimos que: cuanto mayor sea
la longitud del conductor, mayor es la
resistencia.
SECCIÓN
Al comparar dos conductores de igual
material y longitud pero de diferente sección,
notamos que en el de mayor sección existe
un mayor número de electrones, por lo que
circula una corriente más intensa.
Concluimos que: la resistencia es menor,
cuanto mayor sea la sección del conductor.
TEMPERATURA
Los cambios de temperatura influyen en los
materiales, tanto es así, que la resistencia de
los metales puros aumenta con la
temperatura.
Por lo que concluimos que: entre mayor sea
la temperatura de un material, mayor es la
resistencia de este.
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4. Control de Flujo de Corriente
MATERIAL
Una propiedad de los materiales es la
conductancia y está definida como la
facilidad con que un material deja fluir la
corriente.
A mayor conductancia mayor cantidad de
corriente permitirá fluir. Como el conductor
más comúnmente utilizado es el cobre, todos
los metales tienen una clasificación de
conductancia, que indica la eficacia con que
conduce la corriente en comparación con el
cobre.
A esta conductancia se le llama conductancia
relativa o coeficiente de conductividad.
Se concluye que: cuanto mayor sea el
coeficiente de conductividad que tiene el
conductor, menor es la resistencia al paso de
la corriente.
La conductancia es la inversa de la resistencia y se mide en S ( Siemens ).
En la tabla siguiente se muestra la conductancia relativa de algunos materiales.
CONDUCTANCIA RELATIVA (RESPECTO DEL COBRE)
Metal
Conductancia relativa
Metal
Conductancia relativa
Otra propiedad de los materiales es la resistividad o la resistencia específica.
La resistividad es la resistencia que ofrece un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección a una
temperatura de 20°.
A cada tipo de material le corresponde un coeficiente de resistividad, es decir, indica el grado de
resistencia que opone ese material al paso de la corriente. Se representa por
y se mide en
[Ω. mm2/m].
Se concluye que: cuanto mayor
sea el coeficiente de resistividad
que tiene el conductor, mayor es
la resistencia al paso de la
corriente.
Menor coeficiente de
resistividad, menor
resistencia
Mayor coeficiente de
resistividad, mayor
resistencia
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4. Control de Flujo de Corriente
COEFICIENTE DE RESISTIVIDAD
Metal
Coef. Resistividad
Metal
Conductancia relativa
Representación
La resistencia se representa con la letra R, la unidad para la
medición de la resistencia es el ohm (Ω). La resistencia se
representa dentro de un circuito tal y como lo muestra la figura:
Algunos prefijos que son utilizados para manejar valores de resistencia.
Múltiplos de la Resistencia
PREFIJO
SÍMBOLO
DECIMAL
Los dispositivos que se usan para aumentar la
resistencia en un circuito eléctrico son los resistores.
Son fabricados con materiales que ofrecen una alta
resistencia al paso de la corriente eléctrica, los más
comunes son el Nicromo, el Constantán y la Manganina.
Con código de colores
Con el valor impreso
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4. Control de Flujo de Corriente
Código de Colores
Existe un método estándar para saber el valor óhmico de los resistores. A este método se le conoce
como código de colores.
Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos:
El primer grupo consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican
el valor nominal del resistor y la última es un multiplicador para obtener la escala.
El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada como un
porcentaje, dicha tolerancia proporciona el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor
correcto de la resistencia, o sea, el rango o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real
de la misma. En la tabla siguiente se muestra este código junto con los valores que representan los
colores.
VALOR NOMINAL
MULTIPLICADOR
TOLERANCIA
1ra Banda 2da Banda 3ra Banda 4ta Banda
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4. Control de Flujo de Corriente
ACTIVIDAD 7.
Conteste las siguientes preguntas poniendo en práctica
sus conocimientos acerca de las resistencias.
1
Dado el siguiente resistor, cuyo código de colores sea verde y negro (5 y 0 = 50),
naranja (50 x 1000), marrón (tolerancia).
Indicar la resistencia y su tolerancia.
2
Dados dos conductores de igual
material y longitud, que están a la
misma temperatura, pero tienen
distinta sección, ¿cuál opone mayor
resistencia?
3
El carbono, ¿es un buen conductor de la electricidad?
Sí
No
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4. Control de Flujo de Corriente
4.2 Ley de Ohm
La generación de una corriente eléctrica está ligada a dos condiciones:
A la existencia de una fuerza propulsora, la fuerza que hemos denominado fuerza electromotriz
(f.e.m).
A la existencia de un circuito conductor, cerrado, que une los dos polos de la fuente de voltaje.
La intensidad de la corriente depende tanto de la magnitud de la f.e.m (V), como de la resistencia
del circuito (R). Esa dependencia fue precisada por el físico George Simon Ohm, quien formuló la ley
más importante de la electrotecnia, llamada por eso, ley de Ohm.
La ley de Ohm establece que, en un circuito eléctrico, el valor de la corriente es directamente
proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.
En otras palabras, esta ley nos dice:
• A más voltaje, más corriente; a menos voltaje, menos corriente.
• A más resistencia, menos corriente; a menos resistencia, más corriente.
La ley de Ohm permite conocer el voltaje en un elemento del circuito conociendo su resistencia y la
corriente que fluye a través de él y las relaciona de la siguiente manera:
V = Voltaje (V)
V/I=R
R = Resistencia (Ω).
I = Corriente (A).
EJEMPLO
Si queremos determinar el valor
de la fuente de voltaje de la
siguiente figura que hará circular
una corriente de 0.4 A. a través
de la resistencia R1, cuyo valor
es de 25 Ω, se aplica
directamente la ecuación de la
ley de Ohm.
Fuente de voltaje
V=IxR
V = 0.4 A x 25 Ω = 10 V
Esta ecuación también se puede expresar como: I = V / R ó R = V / I
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4. Control de Flujo de Corriente
Existe una manera sencilla de saber cuál es la fórmula que se debe utilizar en un momento dado:
usando un triángulo de Ohmdonde se colocan la corriente, el voltaje y la resistencia.
Para utilizar el triángulo, se cubre el valor que se desea calcular y las letras restantes hacen la
fórmula.
V
V
I
R
V=IxR
R
I=V/R
I
R=V/I
ACTIVIDAD 8.
Aplicando la Ley de Ohm, resuelva el siguiente ejercicio.
Se tiene una fuente de voltaje de 24 volts corriente directa (24 V DC) conectada a los
terminales de una resistencia.
Mediante un amperímetro conectado en serie en el circuito se mide la corriente y se obtiene
una lectura de 2 amperios.
¿Cuál es la resistencia que existe en el circuito?
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4. Control de Flujo de Corriente
4.3 Circuitos en Serie y en Paralelo
Las resistencias en un circuito eléctrico pueden estar dispuestas en serie o en paralelo:
Circuito en serie
Circuito en paralelo
Circuitos de Corriente Continua en Serie
Cuando se tienen N resistencias conectadas en serie la resistencia total del circuito es igual a la suma
de todas las resistencias. Esto es:
RT= R1 + R2 + R3 +...+ RN
EJEMPLO
Por ejemplo, si tenemos una batería de 24V DC a cuyos terminales se conectan en los
siguientes componentes en serie:
• una resistencia R1 de 100 Ω,
• una resistencia R2 de 100 Ω,
• y una tercera resistencia R3 de 40 Ω .
¿Cuál es la resistencia total o equivalente que se le presenta a la batería?
Tenemos que RT = R1 + R2 + R3, por lo que reemplazando los valores tenemos:
RT= 100 Ω +100 Ω + 40 Ω = 240 Ω
Esto quiere decir que la resistencia total o equivalente que la batería "ve" en sus terminales es
de 240 Ω .
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4. Control de Flujo de Corriente
Circuitos de Corriente Continua en Paralelo
Se dice que varios elementos están en paralelo cuando la caída de potencial entre todos ellos es la
misma. Esto ocurre cuando sus terminales están unidas entre sí como se indica en el esquema
siguiente:
• Ahora la diferencia de potencial entre cualquiera de las resistencias es V, la existente entre los
puntos A y B.
• La corriente por cada una de las resistencias es V/Ri (i=1,2,3).
• La corriente total que va de A a B será I1 + I2 + I3.
• La resistencia total de N número de resistencias en paralelo está dada por la siguiente ecuación:
Al haber tres caminos alternativos para el paso de la corriente, la facilidad de paso (conductancia) ha
aumentado: la facilidad total es la suma de las facilidades. La conductancia 1/Rp ha de ser la suma de
las conductancias de las resistencias componentes de la asociación:
1/Rp = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃
ACTIVIDAD 9.
Dado el siguiente circuito, calcular la resistencia total
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4. Control de Flujo de Corriente
4.4 Inductancia
Así como la resistencia se opone ante el flujo de corriente, la
inductancia (L) se opone al cambio del flujo de corriente.
El dispositivo que cumple eficazmente esta función es el inductor,
que físicamente es una bobina que tiene numerosos espiras de
alambre de cobre, de un diámetro muy fino y con un forro o aislante,
arrollados en un tubo de baquelita.
Cuando un flujo de electrones circula a lo largo de un conductor, empieza a expandirse un
campo magnético desde el eje del conductor. Las líneas de fuerza del campo magnético se
mueven hacia afuera, a través del material conductor, continuando después por el aire,
induciendo un voltaje en el propio conductor. Este voltaje inducido tiene siempre una
dirección opuesta al de la circulación de la corriente. Debido a dicha dirección opuesta, a
este voltaje se le llama fuerza contraelectromotriz (f.c.e) o f.e.m inversa.
La inductancia se expresa en henrios (H) pero como es
una unidad de medición grande, es más común usar sus
submúltiplos milihenrios (mH, 1 x10-3 H = .001 H) y
microhenrios (μH, 1 x 10-6 H = .000001 H).
El efecto de la f.c.e que se crea en el conductor
es el de oponerse al valor máximo de la
corriente, aunque esta es una condición
temporal.
Cuando la corriente que pasa por el conductor
alcanza finalmente un valor permanente, las
líneas de fuerza dejan de expandirse o moverse y
ya no se produce f. c. e. m.
En el instante en que la corriente empieza a
circular, las líneas de fuerza se expanden con la
máxima velocidad y se produce el valor máximo
de la f.c.e. En dicho instante, la f.c.e.m tiene un
valor justo inferior al voltaje aplicado.
Aumento de la corriente en función del tiempo
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4. Control de Flujo de Corriente
De acuerdo con la gráfica de la figura anterior, cuando la corriente empieza a circular, su valor es
pequeño. Sin embargo, a medida que las líneas de fuerza se mueven hacia afuera, disminuye
progresivamente el número de líneas que cortan al conductor cada segundo, por lo que también
disminuye progresivamente la f.c.e.m. Después de cierto tiempo, las líneas de fuerza alcanzan su
mayor expansión, deja de producirse la f.c.e.my la única f.e.men el circuito es la de la fuente de
voltaje. Entonces puede circular por el alambre la corriente máxima pues la inductancia ya no
reacciona contra la fuente de voltaje.
Existen dos tipos de inductores:
Inductores fijos
A los inductores fijos no se les puede variar su valor, una
vez que se han fabricado su valor permanece constante.
Estos inductores pueden tener un núcleo de aire o de
hierro. La manera de representar simbólicamente estos
inductores es:
Inductor con núcleo
de hierro
Inductores variables
Inductor con núcleo
de aire
A los inductores variables se les puede variar el valor de
la inductancia en cierta escala. Están fabricados de
manera que el núcleo se pueda mover dentro del
devanado. De esta manera, la posición del núcleo
determina el valor de la inductancia. La manera
de representar simbólicamente estos inductores es:
EJEMPLO
En el caso de las bobinas, el valor de la inductancia se determina por el número de vueltas, el
espaciamiento entre las vueltas, el diámetro de la bobina, el material del núcleo, el número y
tipo de embobinado y la forma de la bobina.
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4. Control de Flujo de Corriente
4.5 Capacitancia
Así como la inductancia se opone ante cualquier cambio en la
corriente, la capacitancia (C ) se opone ante cualquier cambio en el
voltaje.
El dispositivo que introduce la capacitancia a los circuitos es el
capacitor. Este dispositivo almacena energía en un campo
electrostático y la libera posteriormente.
Un capacitor está formado por 2 placas conductoras paralelas entre sí, separadas por una
capa delgada de material aislante. A este material no conductor se le conoce como
dieléctrico.
Placas conductoras
Material dieléctrico
La unidad para expresar la capacitancia es el faradio (F) pero
los capacitores comúnmente se clasifican en μF=1 x 10-6
(microfaradios) o pF=1 x 10-12 (picofaradios).
El capacitor se representa mediante los siguientes símbolos:
Funcionamiento de un Capacitor
En el instante en que se cierra el interruptor, el
terminal negativo de la batería empieza a
impulsar electrones a la placa superior del
capacitor, así como también se extraen
electrones de la placa inferior del capacitor al
extremo positivo de la batería. A medida que se
establece una diferencia de electrones entre las
2 placas, aparecen líneas de fuerza
electrostáticas entre ellas.
A. En el momento de cerrar el interruptor no existe
en el capacitor f.e.m inversa y la amplitud de la
corriente viene determinada únicamente por la
resistencia del circuito. Con el tiempo, entran más
electrones al capacitor y se produce en él una f.e.m
inversa cada vez mayor, haciendo que la corriente en
el circuito vaya decreciendo. Una vez que la f.e.m
inversa iguala a la de la fuente, la corriente dejará de
A circular completamente.
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4. Control de Flujo de Corriente
B. Por otra parte, el capacitor no puede
descargarse a través de la fuente, ya que la
polaridad del voltaje de la fuente es tal que se
opone al voltaje del capacitor. Debido a lo
anterior, el capacitor debe contar con una
trayectoria de descarga, como se muestra en la
figura (corriente de descarga).
En el instante tX se mueve el interruptor de manera
que la fuente quede desconectada del capacitor
para empezar el proceso de descarga.
ACTIVIDAD 10.
De acuerdo a lo visto anteriormente complete la siguiente actividad.
Marque con una X qué característica corresponde a un inductor o a
un capacitor.
Inductor
Capacitor
Se opone al cambio del flujo de
corriente
Se opone al cambio de voltaje
Está formado por placas
conductoras y material dieléctrico
Pueden ser fijos o variables
Se expresan en H (Henrios)
Se expresa en F (Faradios)
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4. Control de Flujo de Corriente
4.6 Potencia Eléctrica – Ley de Joule
Es probable que, por experiencia propia, usted ya sepa que
la mayor parte de los equipos eléctricos indican su voltaje y
potencia, en volts y watts. Las lámparas eléctricas de 220
volts, también indican sus watts y suelen identificarse más
en watts que en volts.
¿Qué significa esta indicación en watts para los equipos
eléctricos?
Los watts de las lámparas eléctricas y otros equipos
indican la velocidad con que la energía eléctrica se
convierte en otra forma de energía, como calor o luz.
Cuanto mayor sea la rapidez con que la lámpara convierte
energía eléctrica en luz, mayor será su luminosidad. De
este modo, una lámpara de 100 watts suministra más luz
que una de 75 watts.
Del mismo modo, los watts de motores, resistencias y otros
dispositivos eléctricos indican la velocidad con que éstos
transforman energía eléctrica en alguna otra forma de
energía. Si se excede la cantidad de watts normales, el
equipo o dispositivo se recalienta o se deteriora.
Ley de Joule
Establece que todo conductor recorrido por una corriente se calienta, lo cual
produce el llamado "efecto calórico" de la corriente eléctrica.
En la aplicación práctica de este efecto, son particularmente importantes las relaciones entre las
magnitudes eléctricas corriente (I), voltaje (U) y resistencia (R) con la cantidad Q de calor
desarrollado.
La cantidad de calor se mide en calorías. Una caloría (cal) es la cantidad necesaria para llevar a 1ºC
la temperatura de 1g de agua.
Joule encontró, como consecuencia de sus experiencias, que una corriente de 1 Amp desarrolla
0.239 cal en una resistencia de 1 W. Este número, determinado por la experiencia, se llama
equivalente termoeléctrico.
El calor desarrollado en un segundo es 0.239 U.I.cal y en un tiempo de t segundos:
Q = 0.239 U.I.t calorías
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4. Control de Flujo de Corriente
De acuerdo a la ley de Ohm, U = I R. Sustituyendo esta relación, se obtiene la ley de Joule en su
segunda forma:
Q = 0.239 I² x R x t calorías
Expresión que determina el calor generado en una resistencia R, por una corriente de I amperes, en
un tiempo t.
EJEMPLO
La mayor difusión de la electricidad se debe precisamente a sus efectos caloríficos. Apenas es
concebible la idea de una vivienda sin corriente eléctrica, la cual se utiliza no sólo para el
alumbrado en las noches, sino también para cocción de alimentos y calefacción de viviendas.
También en la industria encuentran esos efectos caloríficos una continua aplicación: por
ejemplo, en los hornos para templar, fundir u obtener los metales de difícil fusión, en las
calderas de vapor eléctricas, etc.
ACTIVIDAD 11.
Dado el siguiente circuito, calcular la potencia o calor desarrollado.
El circuito de un horno eléctrico industrial está compuesto por una fuente de tensión
f.e.m V y una resistencia R. Si la tensión disminuye un 10%, ¿cuál será la variación
de la potencia entregada en el horno (Q)?
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 4.
A continuación se desarrollará el capítulo Análisis de Circuitos:
Leyes de Kirchhoff.
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5
Electricidad Básica
Análisis de Circuitos:
Leyes de Kirchhoff
TEMAS DEL CAPÍTULO 5
5.1 Enunciados
Las leyes de
Kirchhoff se
utilizan para el
análisis y
la resolución de
circuitos
eléctricos.
60
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5. Análisis de Circuitos: Leyes de Kirchoff
5.1 Enunciados
LEY DE NUDOS
Proviene de la conservación de la
carga y dice, esencialmente, que la
suma de las corrientes que llegan a
un nudo es cero; es decir, que el total
de corriente que entra a un nudo, es
igual al total de la corriente que sale
del nudo.
Esta ley ha de aplicarse a tantos
nudos existan en nuestro circuito,
menos uno.
LEY DE MALLAS
Establece que la suma de caídas de potencial a
lo largo de una malla debe coincidir con la
suma de fuerzas electromotrices (de los
elementos activos) a lo largo de la misma. Si no
hubiera elementos activos, la suma de
potenciales a lo largo de un recorrido cerrado es
cero, lo cual está ligado al carácter conservativo
del campo eléctrico. Para su aplicación es
preciso previamente asignar un sentido de
recorrido a las mallas y dar algún convenio de
signos:
• Una f.e.m se tomará como positiva si en
nuestro recorrido salimos por el polo positivo.
• Una caída de potencial se tomará como
positiva si en nuestro recorrido vamos a favor de
la corriente cuando pasamos por el elemento.
En el circuito de la figura, las caídas de
potencial son todas en resistencias óhmicas; si
es I la intensidad que atraviesa a una
resistencia R, la caída de potencial es IR.
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5. Análisis de Circuitos: Leyes de Kirchoff
Utilizando las mallas I y II, tendremos las siguientes ecuaciones:
e₁ = I₁R₁ + I3R3
-e₂ = I₂R₂ +I₂R4– I3R3 = I₂(R₂ + R4) – I3R3
Conocidos los valores de los elementos que
constituyen nuestro circuito, las tres
ecuaciones anteriormente expuestas configuran
un sistema lineal del que se pueden despejar
los valores de I1, I2 e I3. Obsérvese que en el
circuito anterior R2 y R4 se asocian como si
fueran una sola resistencia de valor (R2 + R4).
Este es un ejemplo de cómo se asocian
resistencias en serie, que son las que están en
una misma rama sin importar su ubicación.
Asociación de elementos en Serie y en Paralelo
Previo a analizar un circuito conviene proceder a su simplificación cuando se encuentran
asociaciones de elementos en serie o en paralelo.
SERIE
Se dice que varios elementos están en serie cuando están todos en la misma rama y, por
tanto, atravesados por la misma corriente. Si los elementos en serie son resistencias,
pueden sustituirse, independiente de su ubicación y número, por una sola resistencia suma
de todas las componentes. En esencia lo que se está diciendo es que la dificultad total al
paso de la corriente eléctrica es la suma de las dificultades que individualmente presentan
los elementos componentes:
RS = R1 + R1 + R3
Esta regla particularizada para el caso de resistencias sirve también para asociaciones de
f.e.m (baterías).
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5. Análisis de Circuitos: Leyes de Kirchoff
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PARALELO
Se dice que varios elementos están en paralelo cuando la caída de potencial entre todos
ellos es la misma. Esto ocurre cuando sus terminales están unidas entre sí como se indica
en el esquema siguiente:
Ahora la diferencia de potencial entre cualquiera de las resistencias es V, la existente entre
los puntos A y B.
La corriente por cada una de ellas es V/Ri (i=1,2,3) y la corriente total que va de A a B
(que es la que atravesaría Rp cuando se le aplica el mismo potencial) será I1 + I2 + I3.
Al haber tres caminos alternativos para el paso de la corriente, la facilidad de paso es
mayor.
ATENCIÓN
Las baterías no suelen asociarse en paralelo debido a su pequeña resistencia interna. Si se
asociaran tendrían que tener la misma f.e.m que sería la que se presentaría al exterior. Pero
cualquier diferencia daría lugar a que una de las baterías se descargará en la otra.
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5. Análisis de Circuitos: Leyes de Kirchoff
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ACTIVIDAD 12.
A partir de todo lo desarrollado le proponemos la siguiente actividad.
Calcule lo que se pide para el siguiente circuito.
1
Calcule la resistencia total del siguiente circuito, donde R1…R6= 100 Ω.
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 5.
A continuación se desarrollará el capítulo Corriente Alterna.
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6
Electricidad Básica
Corriente Alterna
TEMAS DEL CAPÍTULO 6
La corriente alterna
es la forma usada
para el suministro
de electricidad en
la industria y en los
hogares.
Se caracteriza
porque su magnitud
y dirección varían
cíclicamente.
6.1 ¿Qué es la Corriente Alterna?
65
6.2 Instrumentos para medir Corriente Alterna
69
6.3 Resistencia de los Circuitos de Corriente Alterna
71
6.4 Inductancia de los Circuitos de Corriente Alterna
74
6.5 Capacitancia o Reactancia Capacitiva de los
Circuitos de Corriente Alterna
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6. Corriente Alterna
6.1 ¿Qué es la Corriente Alterna?
En la mayoría de las líneas de electricidad se transporta corriente alterna.
Muy poca corriente continua se utiliza para iluminación eléctrica y como fuerza motriz.
Existen muy buenas razones para elegir la corriente alterna en la transmisión de fuerza motriz. Una
de ellas, es que la tensión de corriente alterna puede elevarse o disminuirse con facilidad y con
pérdidas despreciables de potencia mediante el transformador, mientras que las tensiones de
corriente continua no se pueden modificar sin una pérdida considerable de potencia.
Este factor reviste gran importancia en la transmisión de la energía eléctrica ya que grandes
cantidades de fuerza motriz deben transportarse a voltajes muy altos.
En la planta electromotriz, el voltaje es elevado por los transformadores a tensiones muy altas,
que se envían a las líneas de transmisión. Luego en el otro extremo de la línea, otros
transformadores se encargan de reducir la tensión a valores aprovechables para iluminación y
fuerza motriz común.
Los distintos equipos eléctricos exigen tensiones diferentes
para el funcionamiento correcto, tensiones que pueden
obtenerse con facilidad mediante el transformador y una
línea transmisora de corriente alterna. Para obtener esas
tensiones en corriente continua se requeriría un circuito
complejo y poco rendidor.
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6. Corriente Alterna
Ciclos de Corriente Alterna
Se dice que completa un ciclo cuando
la onda de tensión o intensidad de CA
describe un juego completo de valores
positivos y negativos.
Piezas polares
Generador elemental de Corriente Alterna
Un generador elemental consiste en una espira
de alambre colocado de manera que se la pueda
hacer girar dentro de un campo magnético
Escobilla
estacionario, para que éste produzca una
corriente inducida en la espira. Para conectar la
espira con un circuito externo y aprovechar la
corriente inducida se utilizan contactos
deslizantes.
Anillo
de contacto
Armadura
Resistencia
de carga
EJEMPLO
Este gráfico muestra las partes más importantes de un generador elemental de corriente
alterna y continua. En lugar de un armazón con un núcleo de hierro y muchos bobinados, hay
una única espira conductora cuadrada girando alrededor de un eje, el cual no se dibuja.
Generador AC (sin conmutador)
Generador DC (con conmutador)
Las líneas de campo magnético aparecen en azul, dirigiéndose desde el polo norte (pintado en
rojo) hacia el polo sur (pintado en verde). Las flechas en rojo representan el sentido
convencional de la corriente inducida.
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6. Corriente Alterna
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Posición B 90°
Posición C 180°
Posición D 270°
Posición A 360°
La tensión del generador se denomina “tensión alterna”, puesto que alterna periódicamente entre
positivo y negativo. El flujo de corriente, puesto que varía a medida que varía la tensión, también
tiene que ser alterno. En cuanto a la intensidad, también se le denomina intensidad alterna. La
intensidad alterna siempre está asociada a un voltaje alterno, puesto que la tensión alterna siempre
provocará un flujo alterno de corriente.
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6. Corriente Alterna
Frecuencia de la Corriente Alterna
Cuando la armadura de un generador de CA gira,
cuanto más veloz sea su movimiento de rotación
entre los polos magnéticos, con mayor frecuencia
la corriente se invertirá cada segundo. Por lo tanto
se completan más ciclos por segundo, ya que cada
inversión de corriente cierra medio ciclo de flujo.
La cantidad de ciclos por segundo se denomina
“frecuencia”.
GLOSARIO
Sinusoide: función seno o la curva
que la representa.
Valor máximo y pico a pico de una sinusoide
Valor medio de una sinusoide
Valor eficaz de una sinusoide
La intensidad eficaz de una corriente alterna es la intensidad de una corriente continua que es capaz
de producir el mismo efecto térmico que la corriente alterna en el mismo tiempo.
ACTIVIDAD 13.
Para la tensión y corrientes alternas graficadas en la figura, indicar los valores
máximos de tensión y la frecuencia de la corriente.
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6. Corriente Alterna
6.2
Instrumentos para medir Corriente
Alterna
Los instrumentos para corriente alterna funcionan en base a
un dispositivo de bobina móvil suspendida en un campo
magnético entre los polos de un imán permanente. El flujo
de corriente en el sentido correcto (polaridad) hace que la
bobina gire, moviendo la aguja sobre la escala. Sin embargo
usted recordará que la inversión de la polaridad hace que la
bobina móvil se vuelva en sentido opuesto, llevando la aguja
más debajo de cero.
Si se hiciera pasar corriente alterna de 60 ciclos por un
dispositivo de bobina móvil, la aguja no podría seguir la
inversión de giro y se dañaría. Además cuando la aguja
pudiera hacer el vaivén con rapidez, la velocidad del vaivén
impediría hacer la lectura.
Voltímetros con rectificador para Corriente Alterna
Para medir corriente alterna se puede utilizar un dispositivo móvil para corriente continua mediante
el empleo de rectificadores, que sirven para convertir CA en CC. El rectificador sólo permite el flujo
de corriente en un sentido, de manera que al aplicar CA, ésta sólo pasa en la mitad de cada uno de
los ciclos completos.
El circuito consiste en una
resistencia multiplicadora,
un rectificador y un
instrumento de bobina
móvil.
Para ofrecer una vía de
retorno a las pulsaciones de
medio ciclo que no se
aprovechan, se coloca otro
díodo en oposición y las
pulsaciones circulan por esta
rama y no por el instrumento.
Otro circuito utiliza cuatro
rectificadores por lo tanto se
ofrecen dos caminos para la
onda de CA duplicando el
valor de la corriente que pasa
por el instrumento.
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6. Corriente Alterna
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Instrumento de hierro móvil
Un instrumento que se puede utilizar para medir intensidad y tensión de CA es el dispositivo de
hierro móvil; que funciona en base al principio de repulsión magnética entre polos iguales.
• La corriente a medir pasa por una bobina que produce un campo magnético que es directamente
proporcional a la intensidad de corriente.
• Dentro de este campo hay suspendidos dos armazones de hierro, uno fijo en una posición
determinada y otro móvil, en el cual está montada la aguja del instrumento.
• El campo magnético imana estos armazones de hierro con igual polaridad, cualquiera sea el
sentido del flujo de la corriente en la bobina.
• Dado que los polos iguales se repelen, el armazón móvil se aleja del fijo desplazando la aguja del
instrumento. Este movimiento ejerce una fuerza de rotación sobre el resorte.
• La distancia que el armazón se desplazará venciendo la fuerza del resorte, dependerá de la
potencia del campo magnético, la cual depende a la vez de la corriente en la bobina.
Los instrumentos de hierro móvil, pueden
utilizarse como:
• Voltímetro, en cuyo caso la bobina consiste
en varias vueltas de alambre delgado que
produce un fuerte campo magnético con un
pequeño flujo de corriente.
• Amperímetros, en cuyo caso tienen una
bobina de alambre de mayor calibre pero con
menos vueltas y dependen de una corriente
mayor para generar un campo fuerte.
Estos instrumentos están calibrados para una
frecuencia determinada, pero se pueden
utilizar con otras. También se los puede
utilizar para medir intensidad y voltaje de
corriente continua
Electrodinámicos
El instrumento electrodinámico está basado en el
mismo principio que la bobina móvil del
instrumento para corriente continua, excepto que
el imán permanente es reemplazado por bobinas
fijas. Consta de una bobina móvil, en la cual está
montada la aguja indicadora, suspendida entre
dos bobinas de campo conectadas en serie con
ella; las tres bobinas están conectadas en serie con
los terminales del instrumento, de manera que
por las tres circula la misma corriente.
Como la inversión de la corriente no invierte la
fuerza de rotación, este instrumento también se
puede usar en corriente continua.
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6. Corriente Alterna
Resistencia de los Circuitos de
Corriente Alterna
6.3
Muchos circuitos de CA consisten en resistencias, solamente. Para ellos rigen las mismas normas y
leyes que para los de corriente continua. Al aplicar estas mismas normas y leyes del circuito se
deberá basar en los valores eficaces de tensión e intensidad de la CA.
Cuando se aplica tensión
a una resistencia, el
voltaje aumenta al
máximo en una polaridad,
disminuye a cero,
aumenta al máximo en la
polaridad contraria y
nuevamente vuelve a
cero, completando un
ciclo de voltaje.
El ciclo de corriente coincide exactamente con la tensión: cuando ésta aumenta, la intensidad
aumenta también; cuando la tensión disminuye, la intensidad también disminuye y, en el
momento en que el voltaje cambia de polaridad, el flujo de corriente invierte su sentido.
TENSIÓN
INTENSIDAD
TENSIÓN
INTENSIDAD
En el momento en que el voltaje cambia de polaridad, el flujo de corriente invierte su sentido.
Debido a esto se dice que las ondas de tensión y de intensidad están “en fase”.
EJEMPLO
Este gráfico muestra un circuito sencillo que consiste
en una fuente de tensión alterna, un voltímetro V
(azul) y un amperímetro A (rojo).
Debajo del dibujo del circuito, a la izquierda, aparece
un diagrama que permite leer el valor instantáneo de
la fase de la oscilación mediante dos marcadores
(azul para la tensión, rojo para la intensidad). Las
proyecciones de los marcadores sobre el eje
horizontal indican los valores instantáneos de U e I.
A la derecha, aparece otro diagrama que ilustra la
dependencia con el tiempo de la tensión e intensidad.
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6. Corriente Alterna
Potencia.
P=V*I
donde P = Potencia
V = Tensión
I = Corriente
La potencia consumida en un circuito de CA constituye el promedio de todos los valores
instantáneos de potencia o de efecto de calentamiento para el ciclo completo.
Para determinar la potencia, todos los valores instantáneos de tensión e intensidad se multiplican
entre sí para hallar los valores instantáneos de potencia, que entonces se esquematizan con el
tiempo correspondiente formando la curva de potencia. El promedio de esta curva de potencia es la
potencia real que se utiliza en el circuito.
Para ondas de tensión e intensidad “en fase” todas las potencias instantáneas están por encima del
eje cero y la curva correspondiente está integrada arriba de dicho eje.
Esto se debe a que si se multiplican dos valores positivos, el resultado es positivo, lo mismo que si se
multiplican dos valores negativos, el resultado también es positivo; sin olvidar que cuando se
multiplican dos valores menores que uno el resultado es menor que cualquiera los dos valores; tal
como se ve en la curva.
Factor de Potencia
Cuando Ief y Eef están en fase el producto de la potencia se denomina watts, igual que en los
circuitos de CC. Cuando no están en fase, se lo denomina “volt-amperes”.
La relación entre la potencia en watts y los volt-amperes de un circuito se denomina “factor de
potencia”.
RECUERDE
En un circuito resistivo puro
la potencia en watts es igual
a Ief x Eef, de manera que
en él, el “factor de potencia”
equivale a potencia en watts
dividido por volt-amperes,
que es igual a uno.
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6. Corriente Alterna
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ACTIVIDAD 14.
Por favor conteste verdadero o falso según corresponda.
1
2
3
4
5
El voltímetro es un instrumento que se puede utilizar para medir
intensidad y tensión y funciona en base al principio de repulsión
magnética entre polos iguales.
La potencia consumida en un circuito de CA constituye el
promedio de todos los valores instantáneos de potencia o
de efecto de calentamiento para el ciclo completo.
Verdadero
Falso
Verdadero
Falso
Para determinar la potencia, todos los valores instantáneos de
tensión e intensidad se suman entre sí para hallar los valores
instantáneos de potencia, que entonces se esquematizan con el
tiempo correspondiente formando la curva de potencia.
Verdadero
El instrumento electrodinámico está basado en el
mismo principio que la bobina móvil del
instrumento para corriente continua, excepto que
el imán permanente es reemplazado por bobinas fijas.
Verdadero
La relación entre la potencia en watts y los volt-amperes
de un circuito se denomina “factor de potencia”.
Falso
Falso
Verdadero
Falso
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6. Corriente Alterna
6.4
Inductancia de los Circuitos de
Corriente Alterna
F.E.M de Autoinducción
La inductancia existe en un circuito porque la corriente eléctrica siempre produce un campo
magnético. Las líneas de fuerza de este campo rodean al conductor que transporta la corriente,
formando círculos concéntricos a su alrededor. La fuerza del campo magnético depende de la
cantidad de flujo de corriente, puesto que un flujo grande produce muchas líneas de fuerza mientras
que un flujo pequeño sólo produce unas pocas.
El flujo de corriente I, a través de un conductor, produce un campo magnético.
Si el flujo de corriente es pequeño, el campo magnético será pequeño.
=> La intensidad de la corriente determina la fuerza del campo magnético.
I2 > I1 => el campo magnético 2 es mayor que el campo magnético 1
Cuando la intensidad de corriente
del circuito aumenta o disminuye,
la fuerza del campo magnético
aumenta o disminuye en el mismo
sentido.
Cuando la fuerza del campo
aumenta, las líneas de fuerza
aumentan en cantidad y se van
extendiendo hacia afuera desde el
centro del conductor. Del mismo
modo, cuando la fuerza del campo
magnético disminuye, las líneas del
campo magnético se contraen
hacia el centro del conductor.
Es esta expansión y contracción del campo magnético, según varía la intensidad de la corriente, la
que provoca una f.e.m autoinducida cuyo efecto se conoce como “inductancia”.
RECUERDE
La inductancia cuyo símbolo es
se indica con la letra L
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6. Corriente Alterna
Dado que la CC tiene normalmente un valor constante, salvo cuando se inicia o se interrumpe el
flujo de corriente, la inductancia sólo afecta el flujo de CC en esos momentos y, por lo general, su
efecto en el funcionamiento del circuito es muy escaso.
La CA, en cambio, está variando
constantemente. Por esta razón,
la inductancia afecta al flujo de
CA en todo momento. Aunque
todos los circuitos tienen alguna
inductancia, su valor depende de
la forma en que está construido el
circuito y de los dispositivos
eléctricos que intervengan en él.
En algunos circuitos la inductancia
es tan pequeña que su efecto es
prácticamente nulo hasta para CA.
La inductancia se opone a cualquier cambio en la
intensidad de un circuito
Cuando la intensidad
aumenta, la inductancia
trata de impedirlo.
Cuando la intensidad
disminuye, la inductancia
trata de sostenerla.
Factores que afectan la inductancia
• Un núcleo de hierro inserto en el centro de una bobina hace aumentar la inductancia ya que ofrece
a las líneas de campo un camino mejor que el aire.
• La inductancia también es afectada por otros factores como ser el número de espiras, la distancia
entre espiras, el espacio entre espiras, el diámetro de la bobina y la sección del conductor.
Inducción mutua
El término “inducción mutua” hace referencia al
canje de energía de un circuito al otro.
La bobina A obtiene energía de la batería
cuando se cierra el circuito y se crea un campo
magnético en la bobina A; entonces cuando el
campo magnético de la bobina A está en
expansión, atraviesa la bobina B induciendo una
f.e.m en la bobina B.
El medidor del instrumento experimenta una
desviación y muestra que por el circuito está
pasando una corriente cuyo origen es la f.e.m
inducida.
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6. Corriente Alterna
¿Cómo funciona un transformador?
El transformador simple consiste en dos bobinas
muy cerca entre sí, pero aisladas eléctricamente
una de otra. La bobina a la cual se le aplica CA se
llama “primario”. Esta genera un campo
magnético que atraviesa el arrollamiento de otra
bobina a la cual se llama “secundario” y produce
en ella una tensión. Las bobinas no están
conectadas una con otra. Sin embargo, existe
entre ambas un acoplamiento magnético porque
en el transformador se transfiere potencia
eléctrica de una bobina a la otra mediante un
campo magnético alternativo.
ACTIVIDAD 15.
De acuerdo al funcionamiento del transformador y las consideraciones anteriores,
¿cómo variará la tensión del transformador si varía el número de espiras en el
secundario? Calcule la tensión de salida.
RECUERDE
GLOSARIO
La capacidad de los transformadores
se expresa en kVA porque es
independiente del factor de potencia.
El transformador reductor es
aquel que reduce el voltaje. El
transformador elevador, en cambio, lo
eleva.
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6. Corriente Alterna
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Potencia en Circuitos Inductivos
En un circuito teórico que sólo tuviese inductancia pura, la intensidad sufre un retardo de 90° con
respecto a la tensión. Para determinar la onda de potencia de un circuito así, se multiplican todos los
valores instantáneos de tensión y corriente para formar la curva de potencia.
En este caso cuando se multiplica un número positivo y otro negativo el resultado es un número
negativo; por lo tanto se halla que en este circuito hipotético de inductancia pura, la mitad de los
valores son negativos. Por lo tanto para este circuito el eje de la tensión y la intensidad es también el
eje de la potencia.
La frecuencia de la onda de potencia es doble
que la de las ondas de intensidad y tensión.
La porción de potencia que está por
encima de cero, se llama “positiva” y
representa la energía aportada al circuito
por la fuente de potencia; la que está por
debajo de cero se llama “negativa”
y representa energía que el circuito
devuelve a la fuente de potencia.
En el circuito inductivo puro, la potencia suministrada al circuito da lugar a la formación de un
campo. Cuando este campo se contrae, devuelve una cantidad de energía igual a la fuente de
potencia.
La potencia real consumida en un circuito se determina restando la potencia negativa de la potencia
positiva.
PARA PENSAR…
Supongamos un circuito inductivo puro.
¿Le parece razonable usar potencia de un circuito puramente inductivo para producir calor o
luz?
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6. Corriente Alterna
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Potencia aparente o verdadera
Todo circuito práctico contiene cierta resistencia, y, puesto que el ángulo de fase depende de la
relación entre la reactancia inductiva y la resistencia, siempre es menor de 90°.
ATENCIÓN
Para ángulos de fase menores de 90° la cantidad de potencia positiva siempre es superior a
la potencia negativa, representando la diferencia entre ambas la potencia verdadera que se
utiliza para superar la resistencia de un circuito.
Factor de potencia.
En el circuito inductivo hay ángulo de fase y la potencia en watts no es igual a la potencia aparente;
en consecuencia, el factor de potencia estará comprendido entre cero y 100%.
El factor de potencia sirve para determinar el porcentaje de potencia que se aprovecha en watts y el
porcentaje que es devuelto a la fuente en forma de potencia devatiada.
El factor de potencia de un circuito inductivo puro es igual al cero por ciento y su ángulo de fase es
de 90°.
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6. Corriente Alterna
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ACTIVIDAD 16.
Se ha analizado el comportamiento de la corriente alterna en
circuitos inductivos.
Por favor responda las siguientes preguntas:
1
El transformador simple consiste en dos bobinas conectadas entre sí. La bobina a
la cual se le aplica CA se llama “primario”. Esta genera un campo magnético que
atraviesa el arrollamiento de otra bobina a la cual se llama “secundario” y
produce en ella una tensión.
¿Está de acuerdo con este enunciado?
Sí
No
Justifique su respuesta:
2
La potencia es siempre positiva.
¿Está de acuerdo con este enunciado?
Sí
No
Justifique su respuesta:
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6. Corriente Alterna
6.5
Capacitancia o Reactancia Capacitiva
de los Circuitos de Corriente Alterna
La reactancia capacitiva es la oposición al flujo de corriente que ofrece la capacidad de un circuito.
Cuando se utiliza una fuente de CC, sólo circula corriente para cargar o descargar al capacitor. Dado
que en el circuito capacitivo de CC no hay flujo continuo, la reactancia capacitiva se considera
infinita.
La CA, en cambio, varía
continuamente de valor y
polaridad por lo cual el
capacitor siempre se está
cargando y descargando, dando
como resultado un flujo
continuo de corriente por el
circuito y un valor finito de
reactancia capacitiva.
Cuando el voltaje se mantiene
constante el capacitor se
comporta como si no estuviera.
La capacidad se opone a cualquier cambio en la
tensión de un circuito.
Cuando el voltaje
aumenta, la capacidad
trata de impedirlo.
Cuando el voltaje
disminuye, la capacidad
trata de sostenerlo.
En general, la tensión de CC varía únicamente cuando se cierra o se abre un circuito, por lo tanto la
capacitancia sólo afecta al circuito CC en esos momentos.
En los circuitos de CA, en cambio, el voltaje está variando continuamente, de manera que el efecto
de la capacitancia es continuo en ellos. La cantidad de capacitancia presente en un circuito depende
de la forma en que está construido y de los dispositivos eléctricos que intervienen en él. La
capacitancia puede ser tan pequeña que su efecto sobre el voltaje del circuito sea desdeñable.
RECUERDE
Los circuitos eléctricos que se utilizan para agregar
capacitancia se denominan “condensadores” o “capacitores” y el símbolo es:
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6. Corriente Alterna
Constante de tiempo capacitiva
Cuando se aplica tensión en los terminales de un circuito que contiene capacitancia, el voltaje
en el condensador no iguala instantáneamente la tensión aplicada a los terminales.
Para que las placas del condensador adquieran carga completa se requiere cierto tiempo. La
tensión entre las placas aumenta hasta igualar el voltaje aplicado, describiendo una curva
similar a la curva de intensidad de corriente de un circuito inductivo.
Cuando mayor sea la resistencia del circuito, mayor será el tiempo necesario para que el
condensador alcance su tensión máxima, por cuanto la resistencia del circuito se opone al
flujo de corriente necesario para cargar el condensador.
El tiempo necesario para que el condensador se cargue depende del producto de la
resistencia por la capacidad. Este producto RC, o sea resistencia multiplicada por capacidad,
es la “constante de tiempo” de un circuito capacitivo.
La constante de tiempo RC es igual al tiempo en
segundos necesario para descargar el condensador hasta
que pierda el 63,2 % de su carga completa.
ACTIVIDAD 17.
Conteste correctamente según corresponda.
1
Los circuitos eléctricos que se utilizan para agregar capacitancia se denominan
“____________________________”.
2
La _________________ capacitiva es la oposición al flujo de corriente que ofrece
la capacidad de un circuito.
3
La __________________________ es igual al tiempo en segundos necesario para
descargar el condensador hasta que pierda el 63,2 % de su carga completa de un
circuito capacitivo.
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 6.
A continuación se desarrollará el capítulo Condensadores.
TX-TEP-0002
7
Electricidad Básica
Condensadores
TEMAS DEL CAPÍTULO 7
Los condesadores, o
capacitores, son
elementos usados
en los circuitos
eléctricos.
Su función
principal es la
del almacenamiento
de cargas
eléctricas.
7.1 Características
83
7.2 Tipos de Condensadores
84
7.3 Potencia de un Circuito Capacitivo
86
7. Condensadores
83 / 107
7.1 Características
Las corrientes de carga y descarga de un capacitor comienzan con un valor alto y van declinando a
cero a medida que el condensador se carga o se descarga. En el caso del condensador en carga, las
placas descargadas ofrecen poca oposición a la corriente pero a medida que aumenta, ofrecen más y
más oposición.
Factores que afectan la capacidad
1
2
3
La superficie de la placa es un factor importantísimo para determinar la cantidad de
capacitancia, puesto que la capacidad varía en proporción directa con la superficie de
las placas. Una gran superficie de placa ofrece espacio para un exceso de electrones
mayor que una superficie pequeña, por la cual la carga que puede almacenar será más
grande. Del mismo modo, la gran superficie de placa tiene más electrones que ceder y,
por lo tanto, retendrá una carga positiva más grande que una superficie pequeña. De
este modo el aumento de la superficie de placa incrementa la capacitancia, mientras
que su disminución la hace mermar.
El efecto que tienen dos cuerpos cargados entre ellos depende de la distancia que los
separa. Como la acción de la capacitancia depende de las dos placas y de la diferencia
de sus cargas, la capacidad varía cuando se modifica la distancia entre las placas. La
capacidad de dos placas aumenta a medida que las placas se acercan y disminuye
cuando se alejan. Esto sucede porque cuánto más cerca estén, mayor será el efecto que
la carga de una placa tendrá en la carga de la otra. Cuando en una de las placas de un
condensador se acumula un exceso de electrones, los electrones son expulsados de la
placa opuesta, provocando en ella una carga positiva. Del mismo modo, la placa con
carga negativa induce carga negativa en la opuesta. Cuanto más cerca estén las placas,
mayor será la fuerza existente entre ambas, fuerza que aumenta la capacitancia del
circuito.
Utilizando las mismas placas en posición fija a cierta distancia entre ambas, la
capacidad se modificará si se utilizan como dieléctricos materiales distintos. El efecto
de los distintos materiales es comparable al del aire, o sea que si un condensador tiene
una capacitancia dada cuando se utiliza aire como dieléctrico, otros materiales, en vez
de aire, multiplicarán la capacidad en cierta medida. A esta medida se la llama
“constante dieléctrica”. Por ejemplo, algunos tipos de papel aceitado tienen una
constante dieléctrica de 3, lo que significa que si este papel aceitado se coloca entre las
placas, la capacidad será el triple que si el dieléctrico fuese aire. Materiales distintos
tienen constantes dieléctricas diferentes, de manera que modifican la capacidad si se
los coloca entre las placas para que hagan de dieléctricos.
GLOSARIO
Se denomina Material Dieléctrico a aquellos materiales que no son conductores de
electricidad.
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7. Condensadores
7.2 Tipos de Condensadores
En electricidad y electrónica se emplean muchos tipos de condensadores. Para elegir el tipo más
adecuado para un trabajo en particular, se deberá saber cómo están construidos y cómo funcionan.
Condensadores de Aire
Condensadores de Mica
El tipo de condensador más elemental es el de aire (que puede ser
fijo o variable). Está construido con placas metálicas separadas por
aire, es similar al condensador de vacío que consiste en dos placas
separadas por vacío que, a su vez, hace de dieléctrico. La capacidad
de estos condensadores es baja, variando entre 1 y 500mF.
Los condensadores de mica consisten en delgadas hojas metálicas
separadas por láminas de mica, moldeadas dentro de un recipiente
plástico. Su capacidad varía entre 10mF y 0.01mF. La tensión
aplicada está condicionada por el espesor del dieléctrico, que hace
las veces de aislante entre ambas placas.
Condensadores de Papel
Estos condensadores utilizan tiritas metálicas que hacen las veces
de placas y que están separadas entre sí por bandas de papel
encerado. Su capacidad varía entre 250mF y 1mF. Los
condensadores de caja metálica consisten en condensadores de
papel en cartucho encerrados en un recipiente de metal para
hacerlos más resistentes al esfuerzo mecánico y la intemperie. Los
condensadores de papel para circuitos de alta tensión (600 V y más)
están impregnados en aceite y rellenados con este material. El
recipiente es metálico hermético y se emplean varios tipos de
terminal.
Condensadores de
Electrolíticos
Para capacidades superiores a 1mF se emplean condensadores
electrolíticos cuya capacidad está entre 1 y 1000mF. A diferencia
de los demás condensadores, el electrolítico está polarizado y, si se
lo conecta mal, se rompe y hace cortocircuito. Para compensar los
cambios de polaridad se utiliza un tipo especial de condensador
electrolítico que sirve para CA.
Condensadores de
Cerámica
Un tipo de condensador tiene como material dieléctrico cerámica y
una película de plata que hace las veces de placa tiene una
capacidad entre 1 mF o 01 mF se los hace de varias formas, los
más comunes son los de disco o tubulares puede aislar tensiones de
hasta 2000V, son sumamente pequeños y ocupan espacios muy
reducidos.
RECUERDE
Condensadores de capacidades idénticas pueden servir para tensiones distintas. Si se
aumenta el grosor del dieléctrico, las placas estarán más distantes entre sí, reduciendo su
capacidad. Esto, a su vez, hará necesario aumentar la superficies de las placas para compensar
la pérdida. Por lo tanto los condensadores para voltajes altos son de tamaño mayor.
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7. Condensadores
Conexión de condensadores
Cuando se conectan condensadores en serie o en paralelo, el efecto sobre la capacidad es opuesto al
de las resistencias si estuvieran conectadas de la misma manera en el circuito.
Conexión de condensadores en serie
Conexión de condensadores en parlelo
La conexión de las resistencias en serie
aumenta la resistencia total porque
prolonga el camino de resistencia por el
cual debe circular la corriente, mientras
que la conexión de condensadores en serie
disminuye la capacidad total porque en
realidad aumenta el espacio entre las
placas.
Cuando se conectan resistencias en
paralelo, la resistencia total disminuye
porque la superficie transversal por la cual
puede circular la corriente aumenta. En los
condensadores conectados en paralelo
sucede a la inversa. La capacidad total
aumenta porque la superficie de placa que
recibe carga es mayor.
Para determinar la capacidad total de
condensadores conectados en serie se
aplica una fórmula similar a la que regía
para las resistencias en paralelo.
La capacidad total de condensadores en
paralelo se halla sumando los valores de los
distintos condensadores que están en
paralelo.
ACTIVIDAD 18.
Por favor resuelva la siguiente actividad:
1
Para el circuito de la figura, determine la capacidad total del circuito.
C1=
C2=
C3=
C4=
5mF
2mF
3mF
4mF
Ctotal = …………………………
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7. Condensadores
7.3 Potencia de un Circuito Capacitivo
En el circuito capacitivo, como el circuito inductivo, la potencia real utilizada es menor que la
potencia aparente del circuito. En el circuito capacitivo la intensidad precede a la tensión.
Nuevamente la onda de potencia se obtiene multiplicando los valores respectivos de la intensidad y
la tensión para obtener los valores instantáneos de potencia. La onda de potencia de un circuito de
CA consistente en capacidad pura aparece en la figura de abajo. Del mismo modo que la onda de
potencia del circuito inductivo puro, su eje es el mismo que el de la tensión y la intensidad, mientras
que la frecuencia es el doble que la de estas dos.
Para este circuito el ángulo
de fase entre las ondas de
tensión e intensidad es de
90°, y la potencia negativa
igual a la positiva.
La fórmula del factor de
potencia del circuito
capacitivo es igual que la del
inductivo.
Cuando se agregan resistencias
al circuito capacitivo, el ángulo
de fase disminuye y la potencia
positiva se vuelve mayor que la
negativa. Como la tensión y la
corriente están fuera de fase, la
potencia en watts no
corresponde a la potencia
aparente y el factor de potencia
está entre cero y 100%.
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 7.
A continuación se desarrollará el capítulo Impedancia.
TX-TEP-0002
8
Electricidad Básica
Impedancia
TEMAS DEL CAPÍTULO 8
8.1 Resonancia Serie - Paralelo
Las impedancias
permiten establecer
la relación entre la
corriente y el voltaje
en circuitos que
contienen
elementos
resistivos,
inductivos o
capacitivos de
manera similar al
cálculo de circuitos
resistivos en
corriente continua.
88
88 / 107
8. Impedancia
8.1 Resonancia Serie - Paralelo
Cuando resistencia e inductancia están en serie, la oposición total no se puede determinar sumando
estos dos valores directamente. La reactancia inductiva hace que la intensidad sufra un retraso de
90° con respecto al voltaje, mientras que en la resistencia pura el voltaje y la intensidad están en
fase. Por lo tanto, el efecto de la reactancia inductiva en combinación con el efecto de la resistencia
se demuestra dibujando ambos valores en ángulo recto entre sí.
Asimismo, si el circuito se compone de un capacitor y una resistencia, la reactancia capacitiva hace
que la intensidad esté 90° adelantada con respecto al voltaje. En este caso, ambos valores también se
representan por vectores con un ángulo recto entre sí, pero la tensión se dibuja en el cuarto
cuadrante.
El cálculo de la impedancia varía según los elementos Resistencia (R), Inductancia (L) y Capacitor
(C) estén en serie o en paralelo.
Circuitos R-L-C Serie
La corriente Ief que circula produce tres
caídas:
• VR en fase con Ief,
• VL adelantada 90º con respecto a Ief,
• VC atrasada 90º con respecto a Ief.
La figura muestra el diagrama vectorial, con Ief
como referencia por ser común a los tres
elementos.
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8. Impedancia
1
89 / 107
¿Qué sucede si VL > VC?
En ese caso, la reactancia inductiva es mayor
que la capacitiva, como se observa al hacer la
suma vectorial de las tres tensiones. Se
observa que Vef adelanta a la corriente Ief, lo
cual es lógico porque el circuito es de tipo
inductivo.
2
Ahora, supongamos que VC > VL
La reactancia capacitiva es mayor que la inductiva. En el diagrama de suma de tensiones se
observa que la tensión atrasa a la corriente, lo cual es lógico por cuanto el circuito es
capacitivo.
3
Y… ¿si VC = VL?
En este caso, según puede verse en el diagrama vectorial, la tensión de alimentación cae toda
en la resistencia únicamente, y está en fase con la corriente. El circuito funciona como
resistivo puro, a pesar de haber capacidad e inductancia.
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8. Impedancia
La impedancia del circuito es igual a la resistencia sola. Esto se debe a que:
XL = XC
Se dice que cuando XL = XC, el circuito está en resonancia. Como XL aumenta con la
frecuencia y XC disminuye con la frecuencia, existe un valor de frecuencia para el que ambos
se igualan, y es la frecuencia de resonancia "f0".
Circuitos R-L-C Paralelo
Si estamos en resonancia, o sea XL = XC ; el diagrama vectorial será:
La suma será:
Se observa que la tensión y la corriente están en
fase. Además, la corriente, que es igual a IR, es la
mínima posible, por lo cual resulta que:
En un circuito paralelo, a la frecuencia de
resonancia, la impedancia es máxima.
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8. Impedancia
• Para frecuencias menores que f0, la reactancia
inductiva se hace cada vez menor y entonces IL es cada
vez mayor. El circuito tendrá carácter inductivo porque
la corriente Ief irá en atraso respecto de Vef.
• Para frecuencias mayores que f0, la reactancia
capacitiva es cada vez menor y entonces Ic es cada vez
mayor. El circuito tiene carácter capacitivo ya que la
corriente Ief irá en adelanto a Vef.
La frecuencia de resonancia se puede calcular fácilmente, para circuitos en serie o
en paralelo, teniendo en cuenta que es la frecuencia fo a la cual se hace XL = XC
ACTIVIDAD 19.
Para el circuito de la figura dibujar el diagrama fasorial indicado.
1
1. VC > VL
¡Felicitaciones!
Usted ha finalizado el capítulo 8.
A continuación se desarrollará el capítulo Circuitos Trifásicos.
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9
Electricidad Básica
Circuitos Trifásicos
TEMAS DEL CAPÍTULO 9
9.1 Circuitos de Corriente Alterna Trifásicos
La principal aplicación
de los circuitos
trifásicos
es la distribución de la
energía eléctrica. Entre
las ventajas,
comparando con un
circuito monofásico, se
puede mencionar una
mayor potencia,
menores costos de
transporte y que la
potencia enviada a la
carga es siempre
constante.
93
9.2 Potencia en los Sistemas Trifásicos
100
9.3 Secuencia de Fases
106
93 / 107
9. Circuitos Trifásicos
9.1 Circuitos de Corriente Alterna Trifásicos
Los circuitos de corriente alterna que vimos hasta ahora son monofásicos, ya que están constituidos
por una sola corriente alterna. Pero la técnica ha desarrollado circuitos constituidos por varias
corrientes alternadas, que se denominan polifásicos, y en particular:
Bifásicos
Constituidos por dos fases (2 corrientes)
Trifásicos
Constituidos por tres fases (3 corrientes)
Exafásicos
Constituidos por seis fases (6 corrientes)
Dodecafásicos
Constituidos por doce fases (12 corrientes)
Los generadores que producen estos sistemas de tensiones tienen tantos circuitos como números de
fases. En este curso, nos ocuparemos de los circuitos trifásicos.
El esquema de la figura representa al
generador trifásico más elemental: vemos
que contiene un número triple de sistemas
generadores, colocados equidistantes entre
sí. Cada uno genera una f.e.m alternada
independiente de los otros y, como están
distribuidos, no hay concordancia en el
tiempo.
Efectivamente, lo que sucede en el circuito
U X también sucede en el V Y pero 120°
después, e igualmente en el W Z pero 240°
más tarde. Por eso se dice que las f.e.m (o
las tensiones) de un sistema trifásico están
todas desfasadas 120° entre sí.
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9. Circuitos Trifásicos
94 / 107
En la figura se han representado las tres
fases del generador, alimentando tres
circuitos independientes, con sus
respectivas cargas.
La fase de terminales U X mediante dos
conductores alimenta la carga de
impedancia ZR, produciendo la corriente
IR lo mismo ocurre con las otras dos
fases, observándose así que cada fase
puede funcionar como un circuito
independiente con sus dos conductores.
Sin embargo, esto significa instalar 6
conductores en total, razón por la cual la
técnica ha buscado una simplificación.
En la figura se observa cómo se han
agrupado los tres conductores centrales
en uno solo que transportará la corriente
suma, lo que es perfectamente factible y
no ocasiona inconvenientes.
Las tres fases del generador están unidas
formando lo que se llama “polo neutro” y
que generalmente se une “a tierra” que
se emplea por razones de seguridad.
Los terminales del generador son entonces 4 y de allí parte la red tetrafilar que constará
entonces de 4 conductores, tres de los cuales se llaman vivos y el cuarto neutro. Las letras
empleadas para señalar la red trifásica, R S T O son normalizadas y adoptadas casi
universalmente. El neutro transporta la suma de las tres corrientes de los polos vivos, y
contrariamente a lo que pueda pensarse en principio su valor es generalmente más pequeño
que la de los conductores, razón por la cual se construye de sección algo menor que los
otros tres.
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9. Circuitos Trifásicos
RECUERDE
Un sistema trifásico es simplemente un conjunto de tres sistemas monofásicos.
Representación cartesiana de las tensiones de fase.
Vectores
representativos de las
tensiones de fase.
Se llama sistema simétrico en fase al que cumple: α=β= ɣ =120°
Se llama sistema simétrico en magnitud al que cumple: |URO|=|USO|=|UTO|
A un sistema propio y regular se lo llama perfecto: Propio + regular= Perfecto= Equilibrado
ATENCIÓN
Todos los sistemas trifásicos de tensiones que producen las máquinas generadoras son
perfectos, y por lo tanto equilibrados. Las corrientes que de ellos deriven pueden o no
cumplir esta condición, según las características de los receptores conectados a ellos. La
asimetría o desequilibrio de tensiones es, en la mayor parte de los casos, un defecto o un
accidente de la red.
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9. Circuitos Trifásicos
Secuencia de Fases
Cuando se conectan condensadores en serie o en paralelo, el efecto sobre la capacidad es opuesto al
de las resistencias si estuvieran conectadas de la misma manera en el circuito.
Los diagramas vectoriales admiten un sentido
de giro antihorario de los vectores armónicos.
Es menester ponerse de acuerdo con respecto
al orden de sucesión de las fases, lo que se
llama secuencia.
Tensiones en un Sistema Trifásico
Hemos dicho que una red trifásica tiene tres polos R S T y, en la mayor parte de los casos, un neutro
señalado como O.
La fase U X se ilustra en la figura (a), la V Y en la (b) y la WZ en la (c). Los vectores representativos
están 120° desplazados entre sí a consecuencia de la ubicación de las bobinas en la máquina
generadora.
Como las bobinas en la máquina generadora son
absolutamente iguales y se encuentran igualmente
desplazadas entre sí; los módulos de las tensiones son
iguales y los ángulos también: se trata de un sistema
simétrico de tensiones.
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9. Circuitos Trifásicos
Tomemos ahora una red trifásica y conectémosle seis voltímetros:
Tensión de fase
Tensión de línea
A las tensiones existentes entre uno cualquiera
de los vivos y el neutro las llamaremos tensiones de fase o
tensiones simples, y a las que existen entre los vivos,
tensiones de línea o tensiones compuestas.
Es de suma utilidad encontrar la relación existente entre ambos valores.
Analicemos el siguiente ejemplo: dos pilas conectadas en
oposición, de tal manera que la tensión entre terminales
es la diferencia de los parciales:
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9. Circuitos Trifásicos
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La fase de terminales U X genera la tensión URO y la de los terminales V Y la tensión USO estando
ambas fases en oposición, porque el principio de una está conectado al final de la otra.
En la figura reunimos las tres tensiones de fase
y las tres de línea en un diagrama vectorial común, en
donde aparecen los valores máximos de todas las
tensiones que son los valores eficaces multiplicados por
√2 Entre los terminales R S T aparecen tensiones tal que:
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9. Circuitos Trifásicos
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Los módulos guardan la siguiente relación:
Esto indica que la tensión de línea es √3 veces mayor que la de fase: los 3 voltímetros de la derecha
indicarán magnitudes √3 mayores que las de la izquierda. Esta ventaja permite utilizar dos tipos de
tensiones, una tomada entre un polo vivo y el neutro; y la otra entre dos polos vivos.
Suelen aparecer 3 x 220 V y √3. 220 V = 380 V:
En la figura vemos la representación de una red sin neutro de 3 x 440 V:
ACTIVIDAD 20.
Por favor responda las siguientes preguntas:
1
El ángulo que forma la tensión Vrs y la tensión Vst es …
90 °
120 °
180 °
2
Un sistema trifásico ...
Producido por las máquinas generadoras puede presentar
imperfecciones, y por lo tanto ser desquilibrado
Es un conjunto de tres sistemas monofásicos
Producido por los generadores tiene mayor número de circuitos
comparado con su número de fases
3
En un sistema trifásico equilibrado …
La tensión de línea es √3 veces mayor que la de fase.
La tensión de fase es 3 veces mayor que la de línea.
La tensión de línea es igual a la de fase.
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9. Circuitos Trifásicos
9.2 Potencia en los Sistemas Trifásicos
Sistema Trifásico Equilibrado
Se denomina sistema trifásico equilibrado, o
carga trifásica equilibrada, al que absorbe la
misma intensidad de corriente de cada una
de las fases. Por ejemplo: motores trifásicos.
Sistema Trifásico Desequilibrado
Se denomina sistema trifásico
desequilibrado, o carga trifásica
desequilibrada, al que absorbe corrientes de
fase no iguales; por tanto, en estrella, el
neutro conduce la diferencia (vectorial). Por
ejemplo: los sistemas de alumbrado y otros
receptores monofásicos.
Corrección del Factor de Potencia
La energía reactiva existente en una instalación eléctrica depende de los receptores que se conectan
en la misma. Cuanto mayor es el número de bobinas (motores, transformadores, tubos fluorescentes,
etc.) mayor es la energía reactiva y menor factor de potencia.
La existencia de un bajo factor de potencia implica importantes pérdidas de energía, calentamiento
de los conductores y coste económico pues está penalizada por parte de las compañías
suministradoras.
De los distintos métodos de corrección el mejor consiste en conectar tres condensadores en triángulo
en paralelo con la carga.
La capacidad de los condensadores necesarios para la corrección de un determinado factor de
potencia se determina mediante la siguiente fórmula:
ATENCIÓN
Hay que tratar de acercar el factor de potencia a la unidad. Esto se puede conseguir
empleando condensadores conectados a la instalación.
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9. Circuitos Trifásicos
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Ejemplo:
Solución: De la tabla obtenemos un valor de 0,548 que corresponde al factor existente
(0,65) y al deseado (0,85). Multiplicando este valor por la potencia instalado,
obtendremos 0.548x300=164,4 kWa que es la potencia capacitiva necesaria.
ACTIVIDAD 21.
Usando la tabla de factor de potencia corregido, haga el siguiente ejercicio.
Se desea elevar el factor de potencia existente de 0,65 de una
instalación de 300 kW, a un factor de potencia de 0,85.
¿Qué potencia deben tener los capacitores?
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9. Circuitos Trifásicos
Potencia en los Sistemas Trifásicos
La potencia activa de
un sistema trifásico es
igual a la suma
aritmética de las
potencias activas de las
tres fases.
La potencia reactiva
total es igual a la suma
algebraica de las
potencias reactivas de
las tres fases.
La potencia aparente
total es igual a la suma
algebraica de las
potencias aparentes
de las tres fases.
Potencia Activa
Potencia Reactiva
Potencia Aparente
Se analizarán los siguientes casos:
1
Conexión de una carga en estrella o en triángulo para adaptarse a distintas líneas
Conexión de una carga en estrella o en triángulo para adaptarse a distintas redes (230/400 V
o 127/220 V).
Es el caso normal de la mayoría de cargas trifásicas: hay que escoger su conexión interna (en
estrella o triángulo) para conectarlos adecuadamente a la red de que se dispone.
• Motor de 11 kW, 230/400 V, cos φ = 0,8.
• Con red 230/400 V, conexión estrella.
Los valores U e I de la potencia, son valores de línea.
P= √3. U. I cos
φ
Cálculo de la corriente de línea:
Reemplazando en P = √3. U. I cos
φ
11000=√3 * 400V * 19.8 A * 0.8
En cada bobina de fase del motor:
Ufase = 230 V
Ifase = 19.8 A
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9. Circuitos Trifásicos
• Con red 127/230 V, conexión triángulo, los valores U e I de la potencia, son valores de línea.
P= √3. U. I Cos
φ
Cálculo de la corriente de línea:
Reemplazando en P= √3. U. I cos
11000=√3 .230 V.34.5 A. 0.8
φ
En cada bobina de fase del motor:
Conclusión: en ambos casos, la máquina da la misma potencia y en las bobinas de fase se
tiene la misma tensión, corriente y potencia.
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9. Circuitos Trifásicos
2
Conexión en estrella o en triángulo con una misma red
Cambio de conexión para que un receptor (motor, por ejemplo) desarrolle dos potencias
diferentes (precauciones como problema real: en ningún caso, debe sobretensionarse el
receptor; debe preverse, mecánica y eléctricamente, la situación de menor tensión y
potencia).
Motor de 11 kW, 400/660 V, cos
φ = 0,8.
• Con red 230/400 y conexión triángulo.
P= √3. U. I cos
φ
Funcionamiento normal en tensión, corriente y potencia tanto la máquina como cada fase.
• Con red 230/400 V y conexión estrella.
En estrella, la máquina debería conectarse a una red de 660 V, pero al conectarla a sólo
400 V, la máquina está subtensionada.
Por tanto, vamos a calcular la potencia que suministra al hacerla trabajar con una red de
400 V:
La tensión de línea es la misma, 400 V; pero la corriente de línea se divide por el cambio
de conexión a estrella y otra 2ª vez porque la bobina queda subtensionada.
Por tanto, aplicando valores:
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9. Circuitos Trifásicos
105 / 107
ACTIVIDAD 22.
Complete las siguientes afirmaciones acerca de la potencia en los Sistemas
Trifásicos y después relacione con la fórmula correspondiente.
La ______________
de un sistema
trifásico es igual a la
suma aritmética de
las potencias activas
de las tres fases.
La ______________
total es igual a la
suma algebraica de
las potencias
reactivas de las tres
fases.
La ______________
total es igual a la
suma algebraica de
las potencias
aparentes de las tres
fases.
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9. Circuitos Trifásicos
9.3 Secuencia de Fases
Para poder resolver circuitos trifásicos basta con entender primero cómo resolver un circuito Y–Y ya
que cualquier otra configuración se puede reducir a esta configuración utilizando algunas
transformaciones.
La conexión en estrella o Y se realiza usando
un punto común a las tres fuentes, este punto
es el neutro.
Los tres voltajes presentes entre cada una de las líneas y el neutro se llaman voltajes de fase, en estos
voltajes se pueden tener distintas secuencias de fase, escogiendo uno como referencia se pueden
tener dos posibilidades:
Secuencia Positiva de Fase
Secuencia Negativa de Fase
Suponiendo que los voltajes tienen una magnitud de 100 Vrms,
se tiene que:
Van=100<0°
Vbn=100<-120°
Vcn=100<-240
Van=100<0°
Vbn=100<120°
Vcn=100<240°
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9. Circuitos Trifásicos
El voltaje de línea en la conexión estrella equivale a √3 veces el voltaje de fase esto es:
VL es el voltaje de línea y VP es el voltaje de fase
ATENCIÓN
En la conexión de receptores trifásicos a redes trifásicas, normalmente debe tenerse presente
la secuencia de fases. Esto es crítico en motores porque provoca una inversión del sentido de
giro. También puede ser crítico en algunos tipos de rectificadores.
¡Felicitaciones!
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